Двотактний дизель - майбутнє легкої авіації
В авіації до двигунів підхід особливий. Сама, мабуть, найважливіша характеристика - це питома потужність (або питома тяга), тобто кількість кіловат або кінських сил (або ньютонів) на одиницю маси. Воно й зрозуміло. Якщо ми встановимо на автомобіль важкий двигун, автомобіль все одно поїде. А ось літак з важким двигуном може просто не злетіти. З комерційно випускаються нині авіаційних двигунів найкращими за цим показником є турбореактивні (ТРД). Однак вони видають бажані показники при досить високих оборотах, тому вимагають дуже високої культури виробництва і, отже, дороги. Газотурбінні (ВМД), або турбовальние (ТВД), двигуни трохи важче, так як в них турбіна обертає не тільки компресор, але і понижуючий редуктор - додатковий механізм, що володіє чималою масою. Вони теж дуже дорогі, але мають свої переваги. Наприклад, вони економічні в діапазоні швидкостей до 600 км / год, і ще можуть встановлюватися на вертольоти. Проте, в класі потужностей до 200-250 к.с. ВМД фактично відсутні, через дорожнечу. Це як і раніше царство поршневих двигунів.
У легкій авіації наймасовішим типом ДВС є 4-тактний карбюраторний опозитний повітряного охолодження. Конструкція таких двигунів відпрацьована десятиліттями - наприклад, опозитний Лайкомінг був розроблений ще до Другої світової війни. Однак останнім часом виявилася загроза подальшому існуванню цих двигунів. Справа в тому, що вони розраховані на застосування спеціального авіаційного бензину. А нинішня світова авіапарк в основному споживає реактивні палива, що базуються на гасі, виробництво авіаційного бензину скоротилося, і він перейшов в розряд дефіциту. Ентузіасти легкої авіації пробують різні шляхи виходу з бензинового тупика. Хтось намагається конвертувати наявні конструкції під доступний автомобільний бензин, а хтось пропонує нову (тобто добре забуту стару) альтернативу - 2-тактний авіаційний дизель.
Маленька квазі-теоретична лекція
Тактом робочого циклу ДВС є хід поршня від однієї мертвої точки до іншої. Один такт відповідає 180-градусному повороту (півоберту) колінчастого вала. При 4-тактном процесі робочий цикл здійснюється за два оберти вала, при 2-тактном - за один.
Що стосується 4-тактного робочого циклу, то між схемами Дизеля і Отто відмінностей небагато. Присутні ті ж 4 такту: впускання - стиснення - розширення - випуск. Спочатку відкривається впускний клапан, поршень йде вниз, під дією створюється розрідження в циліндр надходить свіжа топливовоздушная суміш або повітря - це такт впуску. Потім клапан закривається, поршень йде вгору - відбувається стиснення. Наступний такт: стиснута суміш запалюється іскрою або в стиснене повітря форсунка впорскує паливо, яке самозаймається, поршень під дією цього йде вниз - це розширення, або робочий хід поршня. Двигун робить корисну роботу саме протягом такту розширення. Потім поршень йде вгору, відкривається випускний клапан, через який продукти згоряння палива виходять в атмосферу - це такт випуску.
Головне, що в дизелі стискається не робоча суміш, а чисте повітря, і паливо впорскується в камеру згоряння в момент найвищого стиснення, від чого і запалюється.
В автопромі тому деякі легкові дизелі конструювалися на основі існуючих бензинових моторів. Чавунний блок і піддон залишалися практично без змін; заново розроблялася головка блоку циліндрів; поршні, шатуни і коленвал замінялися на посилені. Ну і ставилася дизельна паливна апаратура.
У випадку з двотактним процесом все вже не так просто. Такти умовно називаються стиснення і розширення. Як видно, місця окремим тактам впуску та випуску тут не знайшлося. Це не випадково. Хоча в двотактному двигуні процеси впуску і випуску присутні, для їх здійснення необхідно, щоб тиск на вході в циліндр було вище атмосферного. Тобто потрібен примусовий наддув. Ті, хто знайомий з двотактними мотоциклетними бензиновими двигунами, можуть заперечити: на мотоциклах немає ніяких турбо- або механічних компресорів. Окремої компресора в мотоциклетному двотактники дійсно немає. Функція компресора покладено на картер двигуна.
У простих мотоциклетних моторах немає клапанів в головці циліндра, замість них існують впускні і випускні вікна в стінках циліндра, що перекриваються тілом поршня. Впускні вікна пов'язані з карбюратором не безпосередньо, а через перепускні канали, що виходять в картер. Протягом ходу поршня вгору нижній край відкриває вікно, на якому знаходиться карбюратор, робоча суміш під дією розрідження, створюваного йде вгору поршнем, спрямовується в картер. Коли поршень йде вниз, він перекриває це вікно, робоча суміш починає стискатися. Поршень йде далі вниз, відкриваючи перепускні вікна, робоча суміш під тиском подається в циліндр, де витісняє відпрацьовані гази в випускне вікно. Поршень йде знову вгору, і процеси під його днищем повторюються, а в цей час в циліндрі відбувається стиск робочої суміші. Потім стиснута суміш запалала свічкою, і поршень йде вниз, здійснюючи такт розширення, або робочий хід.
Описаний двотактний процес має непереборні недоліки. Так як деталі кривошипно-шатунного механізму омиваються робочою сумішшю, необхідно додавати моторне масло безпосередньо в паливо, що робить його в буквальному сенсі * паливно * мастильні матеріалом. Тобто витрата масла значно вище, ніж в 4-тактних двигунах. До того ж через суміщені за часом процесів впуску та випуску досить багато робочої суміші викидається в атмосферу разом з вихлопом. (Суміш може викидатися також з картера назад у впускний тракт - це долається установкою клапана, зазвичай пелюсткової, між карбюратором і фланцем впускного каналу.) Все це негативно позначається на економічності та екологічності. В принципі, для усунення цього можливо застосувати схему газорозподілу, подібну 4-тактним двигунам (з клапанами і распредвалом), але в такому випадку обов'язковий окремий нагнітач, тобто двигун стане свідомо складніше атмосферного (безнаддувного) 4-тактніка.
Дизель, подібний мотоциклетному мотору, не зробиш. У циліндр треба подавати чисте повітря, яким в картері робити нічого - він там буде видавлювати наявну мастило з труться вузлів. Тому двотактні дизельні двигуни (танкові і суднові) більше схожі на чотиритактні. У них також є масло в картері і клапана в голівці блоку циліндрів. Однак крім клапанів, у них ще є вікна в стінках циліндрів. Зазвичай через бічні вікна нагнітається повітря, а випуск проводиться через клапани.
Цикл відбувається так: поршень йде вниз і відкриває впускний вікно, через яке зовнішнім нагнітачем подається повітря; потім поршень починає рух вгору; поки впускний вікно не закрилося повністю, відкривається випускний клапан в головці, і відпрацьовані гази витісняються в випускний тракт; закривається клапан, перекривається впускний вікно, повітря стискається рухом поршня до верхньої мертвої точки і від стиснення нагрівається; у верхній мертвій точці форсунка впорскує в циліндр паливо, яке від зіткнення з гарячим повітрям спалахує; поршень йде вниз, здійснюючи робочий хід, поки не відкриє вікно впускний; далі см. початок абзацу.
На форумі avia.ru згадувалося, що клапан в головці може бути впускним, а бокове вікно працювати на випуск. Думаю, що в цьому є своя вигода, особливо для дизелів повітряного охолодження: знижується теплонапряженности головки. Але ось проводити газорозподіл тільки через клапани в голівці, на мій погляд, невигідно: циліндр в такому випадку продувається гірше, і повітря (а значить, і кисню) в циліндр потрапляє менше - паливо може згоряти не повністю. Приблизно так само справа йде і з газорозподілом тільки через вікна, однак при цьому можна позбутися від распредвала і клапанів.
Переваги дизелів як таких: використання в якості палива більш дешевих і більш енергоємних фракцій нафти; більший крутний момент на валу; відсутність системи запалювання (тут до місця афоризм, приписуваний конструкторам дизеля В-2: "Найнадійніша деталь - та, якої немає").
Недоліки дизелів як таких: низька питома потужність, що обумовлено необхідністю посилення конструкції (згоряння палива не таке плавне, як в бензиновому двигуні, плюс в 2 рази більший ступінь стиснення - а інакше звідки великий крутний момент візьметься?); наявність куди більш складною і вибагливої системи харчування, ніж у бензинового двигуна.
Переваги двотактних дизелів: вдвічі більша частота робочих ходів, що вирішує проблему питомої потужності; більш плавна робота двигуна.
Недоліки двотактних дизелів: обов'язковість механічного компресора або турбонаддува.
Добре забуте старе
Перші працездатні авіаційні дизелі були сконструйовані до Другої світової війни моторобудівним підрозділом Юнкерса - ЮМО. Планувалося ставити їх на трансатлантичні авіалайнери і дальні бомбардувальники.
Конструювалися вони і у нас - А. Д. Чаромскім спеціально для бомбардувальника Ер-2. Однак довести їх до безпроблемної експлуатації не вдалося - під час війни було не до пошуків. А після війни почалася реактивна ера, і потенційну нішу моторів для наддалеких перельотів зайняли ТВД; потім і турбореактивні двигуни, обзавівшись другим контуром, стали досить економічними. Про авіаційних дизелях забули. До 90-х років.
Останнім часом принаймні дві фірми - німецька Zoche і британська DeltaHawk - докладають зусиль по сертифікації і виведення на ринок авіаційних двотактних дизелів в діапазоні потужностей до 300 к.с. Спільне між ними - безклапанних (тобто через вікна в циліндрі) газорозподіл; наявність двох нагнітачів - механічного компресора і турбокомпресора. Гамма продукції Zoche включає зіркоподібні 2-х (70 к.с.), 4-х (150 к.с.) і 8-циліндрові (300 к.с.) двигуни повітряного охолодження. Циліндро-поршневі групи однакові для всіх варіантів. Механічний нагнітач є також пневмостартером, що дозволяє надійно пускати двигун при будь-якій температурі. Система змащення забезпечує роботу двигуна при будь-якому положенні в просторі.
DeltaHawk пропонує V-подібні мотори рідинного охолодження. "Сухий картер" планується лише як опція - для повітряної акробатики і для вертикальної установки мотора на вертольоти.
Двотактний дизельний цикл - вдалий варіант для моторів легкої авіації. За рахунок вдвічі більшого числа робочих ходів і використання наддуву вони можуть перевершити за питомою потужністю традиційні оппозитника, які погано переносять турбонаддув. Наявність наддуву також сприятливо позначається на висотності двигуна. Системи запалювання (яка на бензинових двигунах нерідко дублюється для надійності) у дизелів просто немає. Тобто заглушити дизель можна лише перервавши подачу палива (бензиновий двигун цим способом теж глушиться). Дизель не боїться низьких температур, що можуть призвести обмерзанням карбюратора (в тому числі і за відсутністю карбюратора як такого) - навпаки, йому холодне повітря навіть йде на користь. Паливо для дизеля дешевше і доступніше.
Правда, при експлуатації на авіагас є свої складності. Справа в тому, що найскладніший і точний агрегат дизеля - паливний насос високого тиску - змащується маслянистими фракціями дизельного палива. А гас від цих фракцій очищений. Тому в реактивне паливо необхідно додавати спеціальну змазує присадку.
У дизелів в легкій авіації непогані перспективи. Якщо хто-небудь з великих світових моторостроителей проявить до них інтерес, і зможе запропонувати масовий недорогий сертифікований дизель, то ситуація безсумнівно зміниться в їх користь. До тих пір, поки не з'явиться масовий недорогий сертифікований ВМД.