Двухтактный дизель -- будущее лёгкой авиации

!Двухтактный дизель — будущее лёгкой авиации // Дмитрий Алемасов (Dmitry_A)

В авиации к двигателям подход особый. Самая, пожалуй, важная характеристика — это удельная мощность (или удельная тяга), то есть количество киловатт или лошадиных сил (или ньютонов) на единицу массы. Оно и понятно. Если мы установим на автомобиль тяжёлый двигатель, автомобиль всё равно поедет. А вот самолёт с тяжёлым двигателем может просто не взлететь. Из коммерчески выпускаемых ныне авиационных двигателей самыми лучшими по этому показателю являются турбореактивные (ТРД). Однако они выдают желаемые показатели при весьма высоких оборотах, поэтому требуют очень высокой культуры производства и, следовательно, дороги. Газотурбинные (ГТД), или турбовальные (ТВД), двигатели несколько тяжелее, так как в них турбина вращает не только компрессор, но и понижающий редуктор — дополнительный механизм, обладающий немалой массой. Они тоже очень дороги, но имеют свои преимущества. Например, они экономичны в диапазоне скоростей до 600 км/ч, и ещё могут устанавливаться на вертолёты.

Тем не менее, в классе мощностей до 200-250 л.с. ГТД фактически отсутствуют, по причине дороговизны. Это по-прежнему царство поршневых двигателей.

В лёгкой авиации самым массовым типом ДВС является 4-тактный карбюраторный оппозитный воздушного охлаждения. Конструкция таких двигателей отработана десятилетиями — например, оппозитный Лайкоминг был разработан ещё до Второй мировой войны. Однако в последнее время обнаружилась угроза дальнейшему существованию этих двигателей. Дело в том, что они рассчитаны на применение специального авиационного бензина. А нынешний мировой авиапарк в основном потребляет реактивные топлива, базирующиеся на керосине, производство авиационного бензина сократилось, и он перешёл в разряд дефицита. Энтузиасты лёгкой авиации пробуют разные пути выхода из бензинового тупика. Кто-то пытается конвертировать имеющиеся конструкции под доступный автомобильный бензин, а кто-то предлагает новую (то есть хорошо забытую старую) альтернативу — 2-тактный авиационный дизель.

Тактом рабочего цикла ДВС является ход поршня от одной мёртвой точки до другой. Один такт соответствует 180-градусному повороту (полуобороту) коленчатого вала. При 4-тактном процессе рабочий цикл осуществляется за два оборота вала, при 2-тактном — за один.

Что касается 4-тактного рабочего цикла, то между схемами Дизеля и Отто различий немного. Присутствуют те же 4 такта: впуск — сжатие — расширение — выпуск. Сначала открывается впускной клапан, поршень идёт вниз, под действием создающегося разрежения в цилиндр поступает свежая топливовоздушная смесь или воздух — это такт впуска. Затем клапан закрывается, поршень идёт вверх — происходит сжатие. Следующий такт: сжатая смесь воспламеняется искрой или в сжатый воздух форсунка впрыскивает топливо, которое самовоспламеняется, поршень под действием этого идёт вниз — это расширение, или рабочий ход поршня. Двигатель совершает полезную работу именно в течение такта расширения. Потом поршень идёт вверх, открывается выпускной клапан, через который продукты сгорания топлива выходят в атмосферу — это такт выпуска.

Главное, что в дизеле сжимается не рабочая смесь, а чистый воздух, и топливо впрыскивается в камеру сгорания в момент наивысшего сжатия, отчего и воспламеняется.

Схема работы 4-тактного дизеля

В автопроме поэтому некоторые легковые дизели конструировались на основе существующих бензиновых моторов. Чугунный блок и поддон оставались практически без изменений; заново разрабатывалась головка блока цилиндров; поршни, шатуны и коленвал заменялись на усиленные. Ну и ставилась дизельная топливная аппаратура.

В случае с двухтактным процессом всё уже не так просто. Такты условно называются сжатие и расширение. Как видно, места отдельным тактам впуска и выпуска здесь не нашлось. Это не случайно. Хотя в двухтактном двигателе процессы впуска и выпуска присутствуют, для их осуществления необходимо, чтобы давление на входе в цилиндр было выше атмосферного. То есть нужен принудительный наддув. Те, кто знаком с двухтактными мотоциклетными бензиновыми двигателями, могут возразить: на мотоциклах нет никаких турбо- или механических компрессоров. Отдельного компрессора в мотоциклетном двухтактнике действительно нет. Функция компрессора возложена на картер двигателя.

В простых мотоциклетных моторах нет клапанов в головке цилиндра, вместо них существуют впускные и выпускные окна в стенках цилиндра, перекрываемые телом поршня. Впускные окна связаны с карбюратором не напрямую, а через перепускные каналы, выходящие в картер. В течение хода поршня вверх нижний край открывает окно, на котором находится карбюратор, рабочая смесь под действием разрежения, создаваемого идущим вверх поршнем, устремляется в картер. Когда поршень идёт вниз, он перекрывает это окно, рабочая смесь начинает сжиматься. Поршень идёт далее вниз, открывая перепускные окна, рабочая смесь под давлением подаётся в цилиндр, где вытесняет отработанные газы в выпускное окно. Поршень идёт снова вверх, и процессы под его днищем повторяются, а в это время в цилиндре происходит сжатие рабочей смеси. Затем сжатая смесь воспламеняется свечой, и поршень идёт вниз, совершая такт расширения, или рабочий ход.

Описанный двухтактный процесс имеет неустранимые недостатки. Так как детали кривошипно-шатунного механизма омываются рабочей смесью, необходимо добавлять моторное масло непосредственно в топливо, что делает его в буквальном смысле горюче-смазочным материалом. То есть расход масла значительно выше, чем в 4-тактных двигателях. К тому же из-за совмещённости по времени процессов впуска и выпуска довольно много рабочей смеси выбрасывается в атмосферу вместе с выхлопом. (Смесь может выбрасываться также из картера обратно во впускной тракт — это преодолевается установкой клапана, обычно лепесткового, между карбюратором и фланцем впускного канала.) Всё это отрицательно сказывается на экономичности и экологичности. В принципе, для устранения этого возможно применить схему газораспределения, подобную 4-тактным двигателям (с клапанами и распредвалом), но в таком случае обязателен отдельный нагнетатель, то есть двигатель станет заведомо сложнее атмосферного (безнаддувного) 4-тактника.

Дизель, подобный мотоциклетному мотору, не сделаешь. В цилиндр надо подавать чистый воздух, которому в картере делать нечего — он там будет выдавливать имеющуюся смазку из трущихся узлов. Поэтому двухтактные дизельные двигатели (танковые и судовые) больше похожи на четырёхтактные. У них также есть масло в картере и клапана в головке блока цилиндров. Однако кроме клапанов, у них ещё есть окна в стенках цилиндров. Обычно через боковые окна нагнетается воздух, а выпуск производится через клапаны.

Цикл происходит так: поршень идёт вниз и открывает впускное окно, через которое внешним нагнетателем подаётся воздух; затем поршень начинает движение вверх; пока впускное окно не закрылось полностью, открывается выпускной клапан в головке, и отработанные газы вытесняются в выпускной тракт; закрывается клапан, перекрывается впускное окно, воздух сжимается движением поршня к верхней мёртвой точке и от сжатия нагревается; в верхней мёртвой точке форсунка впрыскивает в цилиндр топливо, которое от соприкосновения с горячим воздухом воспламеняется; поршень идёт вниз, совершая рабочий ход, пока не откроет впускное окно; далее см. начало абзаца.

Схема работы 2-тактного дизеля

На форуме avia.ru упоминалось, что клапан в головке может быть впускным, а боковое окно работать на выпуск. Думаю, что в этом есть своя выгода, особенно для дизелей воздушного охлаждения: снижается теплонапряжённость головки. Но вот проводить газораспределение только через клапаны в головке, на мой взгляд, невыгодно: цилиндр в таком случае продувается хуже, и воздуха (а значит, и кислорода) в цилиндр попадает меньше - топливо может сгорать не полностью. Примерно так же дело обстоит и с газораспределением только через окна, однако при этом можно избавиться от распредвала и клапанов.

Газораспределение через боковые окна

Преимущества дизелей как таковых: использование в качестве топлива более дешёвых и более энергоёмких фракций нефти; больший крутящий момент на валу; отсутствие системы зажигания (тут к месту афоризм, приписываемый конструкторам дизеля В-2: "Самая надёжная деталь — та, которой нет").

Недостатки дизелей как таковых: низкая удельная мощность, что обусловлено необходимостью усиления конструкции (сгорание топлива не такое плавное, как в бензиновом двигателе, плюс в 2 раза большая степень сжатия — а иначе откуда большой крутящий момент возьмётся?); наличие куда более сложной и привередливой системы питания, нежели у бензинового двигателя.

Преимущества двухтактных дизелей: вдвое большая частота рабочих ходов, что решает проблему удельной мощности; более плавная работа двигателя.

Недостатки двухтактных дизелей: обязательность механического компрессора или турбонаддува.

Первые работоспособные авиационные дизели были сконструированы до Второй мировой войны моторостроительным подразделением Юнкерса — ЮМО. Планировалось ставить их на трансатлантические авиалайнеры и дальние бомбардировщики.

Конструировались они и у нас — А. Д. Чаромским для бомбардировщиков Ер-2 и Пе-8. Однако довести их до беспроблемной эксплуатации не удалось — в войну было не до изысканий. А после войны началась реактивная эра, и потенциальную нишу моторов для сверхдальних перелётов заняли ТВД; потом и турбореактивные двигатели, обзаведясь вторым контуром, стали достаточно экономичными. Об авиационных дизелях забыли. До 90-х годов.

В последнее время по крайней мере две фирмы — немецкая Zoche и британская DeltaHawk — предпринимают усилия по сертификации и выводу на рынок авиационных двухтактных дизелей в диапазоне мощностей до 300 л.с. Общее между ними — бесклапанное (то есть через окна в цилиндре) газораспределение; наличие двух нагнетателей — механического компрессора и турбокомпрессора. Гамма продукции Zoche включает звездообразные 2-х(70 л.с.), 4-х(150 л.с.) и 8-цилиндровые(300 л.с.) двигатели воздушного охлаждения. Цилиндро-поршневые группы одинаковы для всех вариантов. Механический нагнетатель является также пневмостартером, что позволяет надёжно пускать двигатель при любой температуре. Система смазки обеспечивает работу двигателя при любом положении в пространстве.

Двухтактный дизельный цикл — удачный вариант для моторов лёгкой авиации. За счёт вдвое большего числа рабочих ходов и использования наддува они могут превзойти по удельной мощности традиционные оппозитники, которые плохо переносят турбонаддув. Наличие наддува также благоприятно сказывается на высотности двигателя. Системы зажигания (которая на бензиновых двигателях нередко дублируется для надёжности) у дизелей просто нет. То есть заглушить дизель можно лишь прервав подачу топлива (бензиновый двигатель этим способом тоже глушится). Дизель не боится низких температур, чреватых обледенением карбюратора (в том числе и за отсутствием карбюратора как такового) — наоборот, ему холодный воздух даже идёт на пользу. Топливо для дизеля дешевле и доступнее.

Правда, при эксплуатации на авиакеросине есть свои сложности. Дело в том, что самый сложный и точный агрегат дизеля — топливный насос высокого давления — смазывается маслянистыми фракциями дизельного топлива. А керосин от этих фракций очищен. Поэтому в реактивное топливо необходимо добавлять специальную смазывающую присадку.

У дизелей в лёгкой авиации неплохие перспективы. Если кто-либо из крупных мировых моторостроителей проявит к ним интерес, и сможет предложить массовый недорогой сертифицированный дизель, то ситуация несомненно изменится в их пользу. До тех пор, пока не появится массовый недорогой сертифицированный ГТД.