Авиационный поршневой двигатель: обзор, устройство и характеристики

Долгое время, с конца XIX века и до середины XX, поршневой авиационный двигатель оставался единственным мотором, который обеспечивал полеты самолетов. И только в сороковых годах прошлого века он уступил свое место двигателям с иными принципами работы — турбореактивным. Но, несмотря на то, что поршневые моторы и утратили свои позиции, они не исчезли со сцены.

Современные области применения поршневых моторов

В настоящее время авиационные поршневые двигатели применяют в основном на спортивных самолетах, а также на малых летательных аппаратах, изготовленных по персональным заказам. Одной из главных причин того, что моторы этого типа используются крайне мало, является то, что соотношение единицы мощности к единице массы поршневого двигателя существенно меньше по сравнению с газотурбинными. Поршневые по скоростным показателям не выдерживают никакой конкуренции с иными моторами, применяемыми в авиастроении. Более того, КПД их не превышает 30 %.

Виды поршневых авиамоторов

Поршневые авиационные двигатели имеют различия в основном по порядку расположения цилиндров по отношению к коленвалу. Вследствие этого имеется достаточно большое количество разнообразных видов поршневых моторов. Наиболее широкое применение получили следующие:

• двигатели, у которых V-образное расположение цилиндров;
• поршневой радиальный двигатель, где цилиндры расположены звездообразно;
• оппозитный двигатель, у него цилиндры располагаются рядно.

Двигатели с V-образным расположением цилиндров

Они являются самыми известными и применяемыми типами двигателей внутреннего сгорания в авиастроении и не только. Их название связано с характерным расположением цилиндров по отношению к коленвалу. При этом они имеют различный уровень наклона по отношению друг другу. Он может составлять от 10 до 120 градусов. Такие моторы работают по тем же принципам, как и иные двигатели внутреннего сгорания.

К достоинствам двигателей с V-образным расположением цилиндров относится относительная их компактность при сохранении мощностных показателей, а также возможность получать приличный крутящий момент. Конструкция позволяет достигать значительных ускорений вала вследствие того, что инерция, создаваемая при работе, значительно выше, чем у иных типов двигателей внутреннего сгорания. По сравнению с другими типами, эти отличаются наименьшей высотой и длиной.

Моторы этого вида имеют высокую жесткость коленвала. Это обеспечивает большую конструктивную прочность, что увеличивает сроки службы всего двигателя. Рабочие частоты таких моторов отличаются большими диапазонами. Это позволяет быстро набирать обороты, а также устойчиво работать на предельных режимах.

К недостаткам поршневых авиационных двигателей с V-образным мотором относят сложность их конструкции. Вследствие этого они стоят значительно дороже других типов. Более того, они отличаются достаточно большой шириной двигателя. Также V-образные моторы характеризуются высоким уровнем вибрации, сложностями при балансировке. Это приводит к тому, что приходится специально утяжелять различные их части.

Радиальный авиационный поршневой двигатель

В настоящее время радиальные поршневые моторы опять стали востребованы в авиации. Они активно применяются в спортивных моделях самолетов, либо в изготовленных по персональным заказам. Все они малых размеров. Устройство авиационного поршневого двигателя радиального вида, в отличие от иных моторов, заключается в том, что его цилиндры расположены вокруг коленвала через равные углы, как радиальные лучи (звездочки). Это и дало ему название — звездообразный. Такие моторы оборудуются выхлопной системой, которая расходится радиальными лучами. Более того, двигатель этого типа может иметь несколько звезд — отсеков. Это возможно вследствие того, что коленвал увеличивают в длину. Как правило, радиальные двигатели изготавливают с нечетным количеством цилиндров. Это позволяет подавать искру в цилиндр через один. Но делают и радиальные моторы с четным числом цилиндров, однако их количество должно быть больше двух.

Самым большим недостатком двигателей радиального типа является возможность проникновения масла к нижним цилиндрам мотора, когда самолет находится на стоянке. Эта проблема достаточно часто приводит к возникновению мгновенного гидроудара, что влечет поломку всего кривошипно-шатунного механизма. Для недопущения таких проблем перед пуском мотора требуется постоянная проверка состояния нижних цилиндров на предмет отсутствия проникновения к ним масла.

К достоинствам двигателей радиального типа относят их малые габариты, простоту эксплуатации и приличную мощность. Обычно их устанавливают на самолеты спортивных моделей.

Оппозитный авиационный поршневой двигатель

В настоящее время оппозитные авиационные моторы начинают переживать свое второе рождение. Вследствие того, что они обладают небольшими размерами и сравнительно малым весом, их ставят на легкие спортивные самолеты. Они способны развивать достаточную мощность и обеспечивают очень высокие скорости.

Оппозитные двигатели имеют несколько типов конструкций:

1. Мотор, изготовленный по методу «боксер» (Subaru). В таких двигателях поршни цилиндров, расположенных против друг друга, двигаются равноудалено. Это приводит к тому, что в каждом цикле один находится в верхней мертвой точке, а противоположный — в нижней.

2. Двигатели, снабженные устройством ОРОС (Opposed Piston Opposed Cylinder). В таких моторах цилиндры по отношению к коленвалу, расположены горизонтально. В каждом из них находится по два поршня, которые при работе двигаются навстречу. Дальний поршень связан с коленвалом специальным шатуном.

3. Двигатель, сделанный на основании принципа, примененного в советском моторе 5ТДФ. В таком изделии поршни передвигаются навстречу друг другу, работая попарно в каждом отдельном цилиндре. При достижении обоих поршней верхней мертвой точки между ними впрыскивается топливо. Двигатели такой разновидности могут функционировать на горючем различных видов, от керосина до бензина. Для увеличения мощности оппозитных моторов их снабжают турбонаддувом.

Главное достоинство в двигателях оппозитного типа — это компактность, малые габариты. Их можно применять на самолетах очень маленьких размеров. Мощность их достаточно высока. В настоящее время они находят все большее распространение в спортивных летательных аппаратах.

В качестве основного недостатка отмечается высокий расход топлива и особенно моторного масла. По отношению к двигателям других типов оппозитные моторы расходуют горюче-смазочные материалы в два раза больше. Они требуют постоянной замены масла.

Современные авиадвигатели

Современные поршневые авиационные двигатели – это очень сложные системы. Они оснащены современными узлами и агрегатами. Их работу обеспечивают и контролируют современные системы и приборы. Вследствие применения передовых технологий весовая характеристика двигателя существенно снижена. Мощности их возросли, что способствует широкому применению в легкомоторной — спортивный авиации.

Авиационные масла

Масло в поршневых авиационных двигателях работает в достаточно сложных условиях. Это высокие температуры в зонах поршневых колец, на внутренних частях поршней, на клапанах и иных узлах. Поэтому для качественного обеспечения работы мотора в условиях значительных температур, давления, нагрузок, в них используют высоковязкие масла, которые подвергают специальной очистке. Они должны обладать высокой смазочной способностью, оставаться нейтральными к металлам и иным конструктивным материалам двигателя. Авиационные масла для поршневых моторов должны быть стойкими к окислению при воздействии высоких температур, не терять своих свойств при хранении.

Отечественные поршневые авиационные моторы

История производства поршневых моторов в России начинается с 1910 года. Массовый выпуск начался в годы Первой мировой войны. В Советском Союзе советские поршневые авиационные двигатели собственной конструкции стали создавать с 1922 года. С ростом промышленного производства, в том числе авиационного, страна стала массово выпускать поршневые моторы 4-х производителей. Это были двигатели В. Климова, А. Швецова, завода № 29, А. Микулина.

После войны начинается процесс модернизации авиации СССР. Проектируются и создаются авиадвигатели для новых самолетов. Активно развивается реактивное самолетостроение. В 1947 году вся военная авиация, работающая на высоких скоростях, переходит на реактивную тягу. Поршневые авиадвигатели применяются только на учебных, спортивных, пассажирских и военно-транспортных самолетах.

Самый большой поршневой авиадвигатель

Самый мощный поршневой авиационный двигатель был создан в США В 1943 году. Он назывался Lycoming XR-7755. Это был мотор с тридцатью шестью цилиндрами. Его рабочий объем составляла 127 литров. Он был способен развить мощность в 5000 лошадиных сил. Предназначался для самолета Convair B-36. Однако в серию не пошел. Был создан в двух экземплярах, в качестве прототипов.

Радиальные двигатели

Раз уж наш блог начал рассказывать про различные типы двигателей, мы не могли не пройти мимо необычных типов ДВС и невероятных машинах, которые на них ездят.
Обычный, поршневой двигатель внутреннего сгорания известен всем – коленчатый вал, его двигают от 1 до 16 (редко до 32) поршней, которые перемещаются в цилиндрах вверх-вниз. В цилиндры подается смесь воздуха и топлива (бензина, керосина, ДТ, водорода и проч.). Происходит быстрое сгорание, с большим коэффициэнтом расширения – поршень двигается вниз и толкает коленчатый вал.
Двигатели такого типа бывают рядными (L-образными) или не рядными, когда цилиндры стоят под углом друг к другу (V и W- образные). Последний тип – двухэтажный и применяется редко.

Какие же еще есть ДВС? Об одном из них мы хотели бы рассказать в этой статье.

Радиальные двигатели.

Краткая история радиальных двигателей.

Первый радиальный двигатель был создан в 1901 году Чарльзом Мэнли. Он был 5-ти цилиндровым и с водным охлаждением. От был сделан из одной из ротационных машина Стивена Бэлзера, для самолета Аэродрома Лэнгли.
Мощность перового радиального двигателя составила 52 л.с. (39 кВт) при 950 об/мин.

В 1903-1904 гг Иаковах Эллехэммере посторил первый в мире 3-х цилиндровый радиальный двигатель с воздушным охлаждением. Позже, в 1907 году он он постотоил более мощный 5-ти цилиндровый двигатель, а в 1908 – 1909 годах он разарабатывал уже 6-ти цилиндровый двухрядный радиальный двигатель.
В последствии радиальные или звездообразные двигатели получили широкое применение в авиации из-за своей надежности, малых габаритов и возмощности эффективного применения воздушного охлаждения.

Принцип действия.

В отличие от рядных двигателей, цилиндры радиального двигателя расположены в виде звезды, радиально расходясь во все стороны от центра. Таким образом каждый цилиндр отделен от остальных и доступен для ремонта и обслуживания. Также такая конструкция хорошо пригодна для воздушного охлаждения, поэтому подавляющее большинство таких двигателей выпускается именно с воздушным охлаждением. Минимальное количество цилиндров для образования радиального двигателя – три, если взять два, то это уже либо V-образный, либо оппозитник, двигатель, в котором цилиндры расположены напротив друг друга, на одной линии.
Внутри радиального двигателя, по центру находится коленчатый вал с одним коленом и противовесом. К нему крепится ведущий шатун, к которому уже непосредтсвенно крепяться все остальные, ведомые шатуны. Это принципиальное отличие кривошипно-шатунного механизма обусловлено самой конструкцией дигателя – длинный коленвал было бы просто некуда девать.

Звездообразные двигатели бывают двух и четырехтактными, последние обычно имеют нечетное количество цилиндров, позволяющее пускать искру через один цилиндр. В доказательство наших слов приводим видео демонстрационной модели 7-ми цилиндрового двигателя. Обратите внимание на искры зажигания.

Двухтактные радиальные двигатели ставились на многие легкие самолеты и их заводили резким поворотом винта.
Кждый цилиндр обычно имеет два клапана, которые приводятся в движение через спицы, которые в свою очередь толкает распределительный диск, связаный с коленчатым валом.
Анимация в autodesk inventor – здесь все очень хорошо видно

Единственным недостатком радиального двигателя является возможность протекания маста в цилиндры, что приводит к гидроудару и разрыву нижних цилиндров при попытке завода двигателя. Но в современных двигателях эти шансы минимизированы.
Выхлопная система таких двигателей также радиальна, но, как правило, трубы разводятся на две стороны. Варианты, когда цилиндров четное количество, тогда нередко каждый из цилиндров имеет свою выхлопную трубу.

Изготовление звездообразных двигателей

До сих пор радиальные двигатели ставят на самолеты и даже на вертолеты. Все таки возможность обходится без жидкостного охлаждения подкупает, да и технология отработанная годами не позволяет отказаться от этого типа ДВС в авиастроении. Также такие двигатели ставят на легкие лодки и на небольшие катера, перемещающиеся с помошью воздушного винта. В таком случае моторный отсек ограничивают сеткой.

Одним из производителей радиальных двигателей сегодня является Австралийская компания Rotec Engeneering. Вот видео изготовления 150-сильного мотора R3600

Альтернативное применение

Но наш блог любит рассказывать о невероятных применениях всего, что можно. Вот и сейчас мы е обойдет стороной эту возможность и покажем несколько интересных фотографий и видео, найденных нами на просторах интернета.
Например некотрые умельцв ставят радиальные двигатели на мотоциклы.

7 цилиндров 110 л/с Rotec Engeneering R2800

И видео с этим мотоциклом:

R2800 собственной персоной. Кликабельно

И хорошо еще если на обычное место. Существуют например и вот такие варианты. “Двигатель в колесе”

Правда непонятно как к этому двигателя подается бензин.
Те, кто не увлекается мотоциклами берут зарубежные аналоги запорожцев и делают с ними следующее:

В общем применений радиальных двигателей великое множество. Это отличные, плавные, мощные, простые в устройстве, ремонте и эксплуатации двигатели, которые прослужат еще очень долго.

Похожие записи:

Наша цель — свой ФабЛаб в Санкт-Петербурге!
Следите за новостями!