Авиационные карбюраторы: краткий исторический обзор

[Wad]

Продолжаем цикл статей , посвященных истории техники и вопросам ее моделирования в авиационных симуляторах. Сначала, как обычно, небольшой экскурс в историю.

1. В начале было море, и Дух Божий носился над волнами.

Первый двигатель внутреннего сгорания, пригодный для практического использования, построил француз Жан Жозеф Этьен Ленуар в 1860 г. Двигатель Ленуара преставлял собой слегка модернизированную паровую машину, в которой вместо пара в цилиндр засасывалась смесь светильного газа с воздухом и примерно на половине хода поршня поджигалась электрической искрой. Продукты сгорания, расширяясь, толкали поршень дальше вперед и через кривошипно-ползунный механизм вращали маховик. Во время обратного хода поршня отработанные газы вытеснялись из цилиндра. Так же, как и паровая машина Уатта, двигатель Ленуара был двустороннего действия – сгорание горючей смеси происходило попеременно с обеих сторон поршня. Предварительное сжатие горючей смеси отсутствовало, поэтому мотор работал очень тихо и очевидцы утверждали, что им трудно было поверить в то, что в цилиндре происходят периодические вспышки топлива.

Слабым местом двигателя был выпускной золотник, для свободного перемещения которого требуется небольшой зазор между золотником и корпусом золотниковой коробки. В паровой машине золотник работал достаточно надежно, но в двигателе внутреннего сгорания высокотемпературные отработанные газы прорывались через этот зазор наружу и вызывали повышенный износ, перегрев и пригорание золотника. Поршень этого мотора также был склонен к перегреву а сам двигатель требовал большого объема воды для охлаждения. Отсутствие предварительного сжатия горючей смеси и совмещение процесса впуска и расширения в одном ходе поршня предопределили чрезвычайно низкие показатели этого двигателя: максимальные обороты около 100 об/мин, КПД в районе 4 %, литровая мощность около 0.06 л.с./л при расходе светильного газа свыше 3 кубометров на л.с. в час.

Тем ни менее, для двигателя Ленуара не требовался ни паровой котел, ни человек, владеющий искусством кочегара, его можно было практически моментально пустить в ход и остановить, а при надлежащем уходе этот мотор мог эксплуатироваться десятилетиями. Эти достоинства настолько сильно перевешивали все его недостатки, что французы ликовали и предвещали близкий конец «века паровых машин». Всего было построено от 300 до 400 таких двигателей во Франции и около сотни в Великобритании, мощностью от 0,5 до 3 л.с.

Ленуар установил свой мотор на лодку и повозку, а «инженер Гаенлейн в Майнце выстроил в 1872 г. аэростат, в виде удлиненного тела вращения, с заостренными концами, с 4-х крылым винтом и с рулем, но вместо человеческой силы он употребил Леноаровскую газовую машину в 3,6 лошадиных силы, весом в 233 кг.» (Брокгауз и Ефрон). Таким образом, удельный вес первого двигателя внутреннего сгорания, поднявшегося в воздух, составил около 65 кг на лошадиную силу.

Вместе со своим мотором Ленуар запатентовал устройство для приготовления горючего газа из жидкого топлива, состоящее из обогреваемого выхлопными газами бачка с горючим и подвешенными внутри фитилями – первый карбюратор для двигателя внутреннего сгорания, однако на настоящий момент не существует никаких сведений о том, что он когда-либо использовался.

На рисунках:

1. Двигатель Ленуара, общий вид

2. Фитильный карбюратор Ленуара

R – емкость, частично заполненная горючим
r – фитили
T – рубашка, обогреваемая выхлопными газами

[Wad]

2. Бъется в тесной печурке огонь…

В 1873 году американский инженер Джордж Брайтон реализовал в своем газовом моторе предварительное сжатие горючей смеси, однако оно происходило не в рабочем, а в дополнительном цилиндре, который работал как компрессор. Электрическое зажигание Брайтон посчитал недостаточно надежным и разместил в головке цилиндра специальную горелку, в которой постоянно горел небольшой огонек. Горючая смесь продувалась через эту горелку и воспламенялась, таким образом в цилиндр подавалась практически струя пламени, после чего впускной клапан закрывался и расширяющиеся горячие газы воздействовали на поршень. Перед запуском мотора горелку необходимо было как-то поджечь, для этого в цилиндре было предусмотрено небольшое окошко с задвижкой. Чтобы предотвратить воспламенение всей горючей смеси через впускной канал, Брайтон закрыл горелку платиновой сеткой, наподобие того, как это было сделано в безопасных шахтерских лампах. Однако вскоре выяснилось, что со временем платиновая сетка все-таки прогорает и при этом происходит воспламенение всего запаса газа в ресивере. Чтобы избежать проблем, Брайтон приспособил свой мотор под использование жидкого нефтяного топлива и в 1874 году предложил эту модель потенциальным покупателям.

Получивший в дальнейшем коммерческое название «Ready Motor», двигатель конструкции Брайтона отличался легкостью запуска, плавной и бесшумной работой, имел КПД около 6 % и расходовал около 1 литра керосина на л.с. в час, что позволило ему получить широкую известность в Америке и других частях света. Различные модели этого двигателя развивали эффективную мощность от 3 до 10 л.с.

Александр Федорович Можайский первоначально предполагал использовать двигатель Брайтона на своей летательной машине, однако все доступные для приобретения образцы были предназначены для промышленного использования и их удельный вес доходил до 960 кг/л.с. Размышляя над тем, что лучше разработать – облегченный двигатель системы Брайтона или облегченную паровую машину, Александр Федорович все-таки склонился к более отработанной на тот момент технологии. В результате ему удалось достичь неплохого результата: двигательная установка конструкции А.Ф. Можайского, включавшая в себя паровую машину, котел и конденсатор имела удельный вес около 6,4 кг. на л.с.!

Двигатель Брайтона так и не полетел, но зато занял свое место в истории техники как первый коммерчески успешный двигатель внутреннего сгорания, работающий на нефтяном топливе, а термодинамический цикл, реализованный в этом моторе (предварительное сжатие горючей смеси в компрессоре и последующее ее сгорание при постоянном давлении) получил название «цикл Брайтона» и в настоящее время используется при расчете турбореактивных двигателей.

Карбюратор Брайтона является примером довольно редкой разновидности фитильных карбюраторов, встроенных непосредственно прямо в цилиндр.

На рисунках:

1. Двигатель Брайтона, общий вид

2. Фитильный карбюратор Брайтона

o – воздушный канал от ресивера компрессора
e – топливный канал от плунжерного насоса
s – впускной клапан
f – воздушный канал, обеспечивающего непрерывную работу горелки
b – пористый материал
p – проволочная сетка
d – цилиндр
g – канал для поджигания горелки перед запуском мотора.

[Wad]

3. Четыре четверти в темпе марша.

Под влиянием успеха Ленуара, изобретатель из Кельна Николаус Август Отто приступил к работе над усовершенствованием конструкции газового двигателя и в 1867 году, совместно с инженером и коммерсантом Ойгеном Лангеном, организовал производство газовых машин так называемого «атмосферного типа».

Атмосферный двигатель Отто представлял собой занятную конструкцию, состоящую из довольно высокого вертикального цилиндра внутри которого свободно перемещался поршень с закрепленной вдоль его продольной оси зубчатой рейкой. В основании цилиндра размещалась камера сгорания, а в верхней части вращался в подшипниках горизонтальный вал с шестерней и маховиком. Зубчатая рейка связывала поршень с шестерней, которая передавала вращение валу через обгонную муфту. Во время работы двигателя вращающийся маховик через специальный рычаг приподнимал поршень за рейку, в цилиндр всасывалась горючая смесь и, примерно на 1/10 хода поршня смесь поджигалась электрической искрой. Расширяющиеся газы выталкивали увесистый поршень по цилиндру наверх, при этом шестерня на обгонной муфте свободно прокручивалась а поршень под воздействием сил инерции продолжал свое движение еще некоторое время после того, как давление газов в цилиндре падало до атмосферного. В результате, во второй половине хода поршня под ним возникал вакуум, который, после остановки поршня в верхней точке, засасывал его обратно. Во время хода поршня вниз обгонная муфта соединяла шестерню с валом и поршень вращал маховик. Таким образом в этом моторе маховик приходил в движение не от силы расширяющихся газов, а под воздействием атмосферного давления, заталкивающего поршень обратно в цилиндр. Идея заключалась в максимальном использовании энергии сгорания газов и в целом она удалась – удельный расход газа атмосферных двигателей Отто составлял около 1 кубометра на л.с. в час, а КПД был в районе 15% - рекордное значение для того времни! Атмосферные моторы Отто и Лангена полностью вытеснили из употребления моторы Ленуара и выпускались около десяти лет, всего их было построено несколько тысяч.

Звук, издаваемый атмосферной машиной во время такта расширения, очевидцы сравнивали с выстрелом из пушки, вибрация при работе машины была такой, что от нее трескались стены а подскакивающий вверх поршень с рейкой требовал особенно высоких помещений, поэтому Отто продолжил свои исследования и в 1876 году представил публике свою новую концепцию под названием «Бесшумный двигатель Отто».

«Бесшумный двигатель» внешне напоминал обычную машину Ленуара, однако в новом моторе использовался новый принцип - «каждому действию - свой ход поршня»: один ход на всасывание, один на сжатие, один на расширение и один на продувку. Эффект от нововведения превзошел все ожидания – несмотря на то, что удельный расход топлива и эффективный КПД остались на уровне «атмосферных машин», литровая мощность возросла почти в 2 раза! Интересно отметить, что сам Отто, находясь под сильным влиянием ошибочных идей Ленуара, считал, что высокая эффективность его мотора достигается благодаря послойному разделению состава горючей смеси в цилиндре, а не предварительному сжатию, как это имеет место в действительности, и считал такт сжатия побочным и не обязательным элементом своей системы. Термодинамический цикл, который использовал Отто в своем «бесшумном двигателе», получил название «цикл Отто», а моторы, построенные по этому принципу окружают нас теперь везде.

Предприятие Отто и Лангена, получившее название «Фабрика газовых двигателей Дейтц», не испытывало недостатка в заказах, когда его технический руководитель, Готтлиб Даймлер обратился к Николаусу Отто с предложением провести научно-исследовательскую работу, направленную на создание автономного двигателя внутреннего сгорания, способного работать на любых средствах передвижения. Отто отнесся к этой затее без энтузиазма, но Даймлер был настолько уверен в перспективе, что в 1882 году покинул «Фабрику Дейтц», прихватив с собой главного конструктора фабрики Вильгельма Майбаха. В результате напряженного труда, в 1885 году Даймлер получает патент на легкий, компактный и мощный двигатель внутреннего сгорания, работающий на жидком топливе, и немедленно приспосабливает его ко всему, что движется.

Из-за характерной формы высокого вертикального цилиндра этот двигатель получил название «Standuhr» (Напольные часы). Конструкция мотора убедительно свидетельствует о том, что Даймлер в то время тоже считал необходимым послойное разделение состава горючей смеси в цилиндре, для чего при работе мотора в картер засасывался свежий воздух и в конце такта всасывания дозаряжал горючую смесь в цилиндре через клапан в поршне. Все эти инженерные головоломки дополнял уникальный газораспределительный механизм, состоящий не из кулачка с толкателем клапана, как это принято на традиционных моторах, а из криволинейной канавки, выфрезерованной в боковой поверхности щеки коленвала, по которой скользила направляющая толкателя – один оборот по большому радиусу канавки, а один оборот – по маленькому. Еще одна примечательная деталь этого мотора: большой латунный «самовар» - карбюратор, встроенный в бензобак - очередное изобретение Даймлера. При работе мотора на открытом пространстве фитильный карбюратор неминуемо забился бы дорожной пылью, поэтому Даймлер сконструировал карбюратор барботажного типа, в котором воздух в виде мелких пузырьков продувался через слой топлива.

10 августа 1888 «Напольные часы» поднялись в воздух в составе дирижабля доктора Вёльферта (Dr. Woelfert). Двигатель, мощностью в 4 л.с. приводил в движение по выбору либо горизонтальный винт, либо вертикальный так что этот дирижабль теоретически должен был летать как вертолет в любом направлении. На практике дирижабль не смог потянуть даже самого Вёльферта, который был крепким мужиком двухметрового роста весом под 100 кг, поэтому его место в гондоле занял механик.

На рисунке:

1. Устройство атмосферной машины Отто

2. Четырехтактный двигатель Отто

3. «Наполные часы», общий вид

4. Гондола дирижабля доктора Вёльферта

5. Барботажный карбюратор Даймлера

Во время такта всасывания двигатель создает разрежение в трубе G и в карбюратор через телескопическую трубу E засасывается воздух, который через перфорированное основание трубы E попадает в слой бензина в углублении поплавка и в виде пузырьков поднимается на поверхность топлива. Насыщенные бензином пары концентрируются в камере I и через впускную трубу G поступают в мотор. В случае возникновения обратной вспышки, пламя через трубу G проникает в предохранительную камеру J, металлическая сетка O которой предотвращает распространение пламени на весь объем бензобака. Избыток давления обратной вспышки сбрасывается через клапан P. Состав смеси регулируется подачей дополнительного воздуха во впускную трубу.

[Wad]

4. Мы впрыснем раз и впрыснем два!

Газовые заводы в то время существовали далеко не в каждом городе, а строить собственный газогенератор многим мелким предпринимателям было невыгодно, поэтому с целью расширения рынка сбыта стационарные газовые двигатели постепенно стали приспосабливать к работе на жидком топливе. Наиболее удобно для этой цели подходил бензин, который способен легко испаряться в подогреваемой емкости. Некоторое время конструкторская мысль не выходила за рамки естественного испарения бензина и топталась вокруг карбюраторов испарительного типа, представляющих собой громоздкие бочонки с витиеватыми каналами для прохода воздуха над поверхностью бензина, степень сложности которых определялась фантазией изобретателя, однако вскоре возникла идея принципиально иного способа образования горючей смеси – распыления жидкого топлива на мельчайшие капли, которые, попав в подогретый впускной канал интенсивно бы в нем испарялись.

Первые стационарные двигатели, оснащенные системой впрыска жидкого топлива во впускной канал конструкции немецкого инженера Йоханнеса Шпиля появились в 1884 году. В Америке бензиновые двигатели со впрыском топлива строила фирма "Charter Gasoline Engine Company", на территории которой в 1889 году были выпущены шесть сельскохозяйственных тракторов в результате чего компания «Чартер» теперь считается первым в мире производителем транспортной техники, оснащенной системой впрыска. Однако отсутствие на тот момент времени портативного устройства, способного управлять изменением подачи топлива в зависимости от дорожных условий не позволило этому начинанию получить широкое распространение среди энтузиастов самодвижущихся повозок. По причине своей высокой пожаро- и взрывоопасности, бензин в конце 19 века считался довольно опасным веществом и в некотороых странах его использование было даже ограничено законом, поэтому бензиновые стационарные двигатели не получили широкого распространения и развитие стационарных моторов пошло по пути использования более безопасного и дешевого тяжелого топлива.

На рисунке:

1. Бензиновый двигатель Charter, общий вид

2. Карбюратор впрыскивающего типа двигателя «Charter»

15 – топливный канал от плунжерного насоса
16 – впускная труба
17 – перфорированная оконечность топливного канала 15
18 – металлическая сетка
19 – впускной клапан
22 – камера сгорания

[Wad]

5. «Корбуратор – это душа двигателя» (Летательные машины. Бубекин. 1910)

Поэксперементировав со своим «бульбулятором», Даймлер и Майбах убедились в наличии существенных недостатков этой конструкции. Производительность барботажного карбюратора была весьма низкой и являлась препятствием для увеличения объема и мощности мотора, трудно было регулировать количество и качество горючей смеси и кроме того, возникла неожиданная проблема: после заправки бензобака свежим топливом быстрее всего испарялись его наиболее летучие компоненты, поэтому через некоторое время работы такого карбюратора в баке оставался неиспаряемый остаток, который приходилось сливать и выбрасывать. Впрыск топлива во впускной канал позволил бы использовать весь наличный запас горючего, однако при движении транспортного средства обороты мотора зависят не только от положения дроссельной заслонки, но и от дорожных условий (например, при подъеме в гору дроссельная заслонка может быть полностью открыта, но обороты будут маленькими). Таким образом, при ручном управлении подачей топлива, водителю пришлось бы подбирать правильное положение регулятора топлива не только в зависимости от положения дроссельной заслонки, но и в зависимости от профиля дороги, что практически трудноосуществимо.

Однако Майбаху пришла в голову воистину гениальная идея: не впрыскивать топливо через форсунку, а наоборот, создать в области форсунки разрежение, которое будет высасывать топливо, причем для создания этого разрежения использовать поток воздуха, поступающего в двигатель. Таким образом, изменение потока воздуха будет изменять разрежение в области форсунки и вызывать автоматическое изменение потока топлива. Чтобы исключить влияние изменения уровня топлива в баке, Майбах применил так называемую «камеру постоянного уровня» - небольшую емкость, уровень топлива в которой автоматически поддерживается постоянным. Конструкция карбюратора была запатентована в 1893 году и тут же использована на двигателе Даймлера второго поколения – 2-х цилиндровом «Phoenix».

До появления первого аэроплана оставалось совсем немного...

На рисунке:

1. Конструкция двигателя “Phoenix”

2. Карбюратор «всасывающего» или «автоматического» типа Вильгельма Майбаха.

a – камера постоянного уровня
b – впускная труба
b1 – входное отверстие впускной трубы
b2 – сужение впускной трубы, за которым возникает разрежение
c – топливный канал к форсунке c1
c1 – форсунка
f – цилиндр
g – впускной клапан

[Wad]

6. Они были первыми.

17 Декабря 1903 г. поднялся в воздух первый в мире управляемый летательный аппарат с двигателем внутреннего сгорания. В процессе его создания, братья Орвил и Вилбур Райт решили множество вопросов не только связанных с конструкцией планера, но и с устройством его мотора. Братья Райт не смогли найти ни одного машиностроительного завода, который взялся бы за постройку двигателя, удовлетворявшего их требованиям, поэтому они сконструировали и построили его самостоятельно, в своей мастерской по ремонту велосипедов. В результате был создан двигатель довольно оригинальной конструкции: четыре цилиндра располагались горизонтально в литом алюминевом картере, состоящем из одной детали и объединявшем в себе корпус коленвала, рубашку охлаждения цилиндров и корпус карбюратора. Сборка мотора производилась через большое окно в верхней стенке картера, закрывавшееся крышкой, вырезанной из стального листа. Шатуны были изготовлены из стальной трубы, клапанная коробка отлита из чугуна, впускные клапаны автоматические, выпускные клапаны управлялись верхним распредвалом с цепным приводом. В моторе использовалась контактно-разрывная система зажигания Зигфрида Маркуса «make and break», известная с 1883 года: в этой системе прерыватель был встроен прямо в камеру сгорания, на прерыватель подавалось напряжение около 10 вольт и при размыкании контактов между ними проскакивала искра, воспламеняющая горючую смесь. Двигатель рассчитывался как однорежимный, поэтому карбюратор был выполнен максимально просто, в виде плоской коробки, лежащей над цилиндрами. Топливо самотеком подавалось в небольшой вертикальный воздухозаборник, затем разливалось по корпусу карбюратора, одновременно выполняющего функции впускного коллектора, и интенсивно испарялось под воздействием тепла от цилиндров. Внутри карбюратора располагались перегородки, увеличивающие путь воздуха над поверхностью бензина, сверху карбюратор закрывался крышкой из листовой стали. Подача топлива регулировалась двумя кранами – один имел только два положения «открыто-закрыто» и был предназначен для запуска и остановки двигателя, а другой кран допускал плавную регулировку и был предназначен для коррекции состава смеси в зависимости от полетных условий.

Первый пробный запуск мотора состоялся 12 февраля 1903 года, а на следующий день – в пятницу, 13-го, бензин просочился в подшипники, мотор заклинил, картер двигателя раскололся и все пришлось начинать заново. Пробный запуск нового мотора состоялся только в мае.

Вес двигателя с магнето, радиатором и жидкостью системы охлаждения был около 90 кг, а максимальная мощность - около 16 л.с. при 1200 об/мин, таким образом удельный вес всей двигательной установки был приблизительно равен 5,6 кг/л.с. Всего было построено несколько экспериментальных моторов.

На рисунке:

1. Двигатель Wright 1903 года, вид сверху

2. Двигатель Wright 1903 года, вид снизу

3. Двигатель Wright 1903 года, конструкция

[Wad]

В моторе Wright 1903 года клапанная коробка не имела рубашки охлаждения и через несколько минут после запуска мотора раскалялась докрасна, в результате чего горючая смесь, поступаюшая в цилиндры сильно перегревалась и мощность мотора падала до 75% от начальной. В 1906 году братья существенно модернизировали свой мотор – они отказались от подогрева горючей смеси в плоском карбюраторе- коллекторе, поставили мотор вертикально и установили впускной коллектор обычного типа в виде круглой трубы. Система центрального впрыска теперь состояла из форсунки, расположенной у входа во впускной коллектор и шестеренчатого топливного насоса. Значительные изменения претерпела система охлаждения: мотор получил водяную помпу, а цилиндры - индивидуальную водяную рубашку. Систему зажигания “make and break” заменили на традиционные свечи. Мотор приобрел более традиционный вид а его показатели были существенно улучшены – мощность возросла до 30-40 л.с. при 1200-1500 об/мин и его удельный вес снизился до 3,5 кг/л.с. с учетом веса магнето и системы охлаждения.

«Пускание в ход мотора сопряжено с большой возней. Правда, раз уже пущеный работает хорошо и без отказа.» (Азбука воздухоплавания. Вейгелин. 1912)

Этот мотор выпускался серийно в течении 1906 - 1911 годов не только в Америке, но и в Европе – лицензии на его производство приобрела германская фирма «N.A.G» и французская «Bariquand et Marre». В 1909 году к выпуску двигателей Wright приступил Российский завод «Мотор» в Риге.

В целом, этот мотор не блистал своими характеристиками даже в то время и высокие, по сравнению с прочими летательными машинами тех лет, летные качества аэроплана Wright определялись в большей степени совершенством аэродинамики планера, чем характеристиками двигательной установки. Тем ни менее он удовлетворял требованиям тех лет и послужил базой для создания более совершенного шестицилиндрового мотора Wright, выпускавшегося в 1911-1915 годах.

На рисунках:

1. Мотор Wright 1906 года, общий вид, хорошо заметны крышки шестеренчатых насосов для масла и топлива.

2. Мотор Wright 1906 года постройки «Bariquand et Marre», вид со стороны водяной помпы.
На местном разрезе показана топливная форсунка во впускном коллекторе, а на виде по стрелке «А» - воздушная заслонка 14, с помощью которой на земле регулировали состав горючей смеси.

[Wad]

В 1903 году французский инженер Леон Левавассер (Leon Levavasseur) получил патент на V-образный мотор оргинальной конструкции и в течение 1903-1905 годов построил несколько однотипных моторов для гоночных лодок различной мощности. Помимо рекорда скорости Левавассер достиг рекордного на тот момент значения удельного веса в районе 2 кг. на л.с. без учета системы охлаждения, чем немедленно привлек к себе внимание авиаторов. Созданное в 1906 году общество «Antoinette» приступило к промышленному выпуску этих моторов, которые сразу же получили всеобщее признание и были установлены почти на всех ранних французских аэропланах.

Одной из особенностей конструкции мотора "Antoinette" была система непосредственного впрыска, устроенная следующим образом: в основании впускного патрубка каждого цилиндра размещалась форсунка конструкции Левавассера, внешне похожая на Т-образный тройник, в боковой канал которого подавалось топливо. В процессе тактов сжатия, расширения и выпуска топливо накапливалось в корпусе форсунки, а в процессе такта всасывания – распылялось под воздействием разрежения за впускной клапан в цилиндр. Состав смеси регулировался изменением производительности топливного насоса с помощью небольшого штурвальчика, выведенного в сторону пилота.

Еще одной интересной особенностью этого мотора была испарительная система охлаждения, благодаря которой удалось обеспечить минимальный удельный вес силовой установки и незначительное сопротивление воздушному потоку.

Конструкция двигателя позволяла довольно легко создавать модификации с различным чилом цилиндров,вплоть до 32-х цилиндровой «сороконожки», но наиболее массовой была 8-цилиндровая модель, развивавшая 45-50 л.с. Пустой двигатель весил всего 70 кг., вес радиатора с трубками и охлаждающей жидкостью составлял 25 кг., вес масла в картере мотора - 8 кг. и вес аккумулятора с катушкой зажигания – 16 кг. Таким образом, удельный вес всей двигательной установки был около 2,5 кг/л.с.

«Мотор «Антуанет» оставался одним из самых популярных авиационных моторов вплоть до 1910 г., несмотря на то, что отсутствие карбюратора делало его исключительно капризным (особенно при запуске) и надежность его заставляла желать многого лучшего. (Конструкция авиационных двигателей. Орлин. 1940)

На рисунках:

1. Мотор Antoinette, общий вид

2. Дозирующая форсунка системы Левавассера

a – жиклер
b – емкость для порции топлива
f – канал форсунки
e – впускной клапан
d – впускной патрубок

[Wad]

7. Vive la France!

Пока авиаторы экспериментировали с инжекторами, в мировом карбюраторостроении произошли следующие изменения:

Двигатель Даймлера приняли у него на родине прохладно, во многом это объяснялось тем, что в Германии в те годы бензин считался чрезвычайно опасным веществом. Во время своих экспериментов с двигателем, установленным на моторной лодке, Даймлер провел по бортам фальшивые провода на фарфоровых изоляторах и всем любопытным сообщал, что лодка работает на электричестве. Ездить по Германии на автомобиле с бензиновым двигателем было равносильно заявлению в наше время о том, что под капотом установлен маленький ядерный реактор – перед каждым выездом на своем авто Даймлер обязан был заблаговременно сообщить об этом в полицию для того, чтобы полицейские успели подготовить пожарные расчеты по пути его следования!

Однако французы, восприимчивые ко всему новому, с интересом отнеслись к разработке Даймлера и в 1890 году патент на производство его двигателей был приобретен французскими фирмами «Panhard et Levassor» и «Peugeot», таким образом градиент интеллектуального потенциала повернулся в сторону Франции.

Сразу же после своего появления, элегантная идея Майбаха использовать для автоматической регулировки подачи топлива разрежение в воздушном канале карбюратора натолкнулась на неожиданное препятствие. Оказалось, что с ростом разрежения расход горючего растет сильнее, чем расход воздуха, в результате чего на максимальных оборотах смесь становится примерно на 10% богаче, чем на малых. Это обстоятельство привело к тому, что в первоначальную конструкцию карбюратора Майбаха, которую за ее простоту вскоре стали называть «элементарным карбюратором», пришлось добавить систему коррекции, предотвращающую обогащение смеси при увеличении оборотов мотора, что привело к существенному усложнению всего устройства. За короткое время было разработано немыслимое количество различных систем коррекции, однако все они основаны всего на нескольких принципах работы. Рассмотрим эти принципы поподробнее.

7.1. Изменение разрежения в диффузоре

Богатую смесь можно обеднить двумя способами – либо добавить воздуха, либо уменьшить подачу топлива, однако мотор, работающий без системы наддува не может засосать в себя больше воздуха, чем он уже засасывает, поэтому состав смеси можно скорректировать только по топливу. Наиболее очевидный вариант – использовать жиклер с переменным сечением оказался трудно осуществимым на практике, так как требовал повышенной точности изготовления деталей регулятора. Однако изобретатели не сидели сложа руки и в 1902 году Артур Кребс (Arthur Krebs), инженер и руководитель компании “Panhard et Levassor”, разработал систему коррекции состава смеси путем впуска добавочного воздуха в смесительную камеру через автоматический воздушный клапан, открывавшийся под воздействием разрежения в карбюраторе. Принцип действия его корректора основан на том, что объем воздуха, поступающего в мотор при неизменных оборотах коленвала, является постоянной величиной, поэтому впуск добавочного воздуха за диффузор вызывает эквивалентное уменьшение объема воздуха, проходящего через диффузор, что приводит к снижению разрежения в области форсунки и уменьшению подачи топлива. Карбюраторы, работающие по этому принципу, особенно широко распространились по Америке, поэтому в те годы даже появился термин «Американская школа», применимый к карбюраторам, напичканым всевозможными клапанами, тягами и пружинками.

На рисунке:

1. Карбюратор Кребса, холостой ход.

Воздух поступает в карбюратор через воздушный канал b, проходит через диффузор a и смешивается с топливом, поступающим из форсунки d под воздействием разрежения в диффузоре. Образовавшаяся горючая смесь поступает в цилиндрический дроссельный золотник f, проходит через небольшие отверстия в золотнике i и попадает во впускной патрубок двигателя j. Поскольку дроссельный золотник закрыт, разрежение в воздушном канале карбюратора незначительное и воздушный клапан k закрыт.

2. Карбюратор Кребса, максимальные обороты.

Дроссельный золотник f сдвинут влево и воздушный канал полностью открыт. Разрежение в карбюраторе возросло до максимального значения и под воздействием этого разрежения мембрана p втянулась в корпус карбюратора и открыла воздушный клапан k. Добавочный воздух поступает в карбюратор через окна m. Разрежение в диффузоре и расход топлива несколько меньше тех значений, которые имели бы место без системы коррекции и обогащение смеси на высоких оборотах устранено.

[Wad]

Каучуковое уплотнение мембраны в карбюраторе Кребса не отличалось особой надежностью и в 1906 году французская фирма Грувель и Аркембург (Societe Jules Grouvelle, H. Arquembourg & C) предложила карбюратор, работающий по аналогичному принципу, но иной конструкции. В карбюраторе системы Грувель и Аркембург роль клапана играли шарики разного размера, лежащие в отверстиях плоской шайбы. С ростом разрежения в карбюраторе шарики один за другим приподнимались, открывая отверстия, через которые в карбюратор поступал добавочный воздух в обход диффузора. Разрежение в диффузоре падало и подача топлива уменьшалась.

На рисунке:

Конструкция карбюратора Грувель и Аркембург.

[Wad]

7.2. Метод компенсации

В 1907 году Франсуа Бовери (Francois Baverey) выдвинул революционное предложение – использовать одновременно две форсунки, одна из которых работала бы обычным образом, постепенно обогащяя смесь с ростом разрежения, а другая – наоборот, постепенно обедняла бы смесь с ростом разрежения. Одновременная работа двух форсунок позволила бы устранить обогащение смеси с ростом оборотов. Бовери удалось найти очень простое решение для того, чтобы обеспечить постепенное обеднение смеси во второй форсунке: он соединил эту форсунку, получившую название «компенсационной» с поплавковой камерой через промежуточный (компенсационный) колодец, свободно сообщающийся с атмосферой. При увеличении оборотов мотора топливо, заполяющее колодец, быстро высасывалось и подача топлива в компенсационную форсунку зависила только от подачи топлива в колодец. Поскольку разрежение в компенсационном колодце отсутствовало, подача топлива в колодец зависила только от размера жиклера между колодцем и поплавковой камерой и уровнем топлива в поплавковой камере, то есть была постоянной. Таким образом, с ростом оборотов мотора объем воздуха, проходящего через диффузор увеличивался, а объем топлива, проходящего через компенсационную форсунку был постоянным и смесь плавно обеднялась.

В компоновке своего карбюратора Бовери применил изящное конструкторское решение, вставив коаксиально одну форсунку в другую, такая конструкция получила название «компаундная форсунка».
Уровень топлива в карбюраторе всасывающего типа выбирается таким, чтобы до верхнего обреза форсунки оставалось 3-4 мм во избежание самопроизвольного истечения топлива во время стоянки. Однако в момент запуска мотора коленчатый вал вращается с очень маленькой скоростью и разрежения в диффузоре не хватает для того, чтобы топливо поднялось до выхода из форсунки и начало распыляться. Для облегчения запуска мотора и обеспечения его работы на малых оборотах Бовери добавил в карбюратор специальную систему малого газа. Эта система представляет собой отдельную форсунку, выведенную в область дроссельной заслонки. Когда дроссельная заслонка прикрыта, между краем заслонки и стенкой карбюратора образуется щель, в которой создается значительное разрежение и под воздействием этого разрежение топливо поднимается по трубке малого газа до уровня заслонки и распыляется во впускную трубу. С увеличением угла открытия дроссельной заслонки разрежение у выходного отверстия системы малого газа уменьшается, а в диффузоре растет и двигатель постепенно переходит на работу через главную топливную систему. Качество смеси малого газа регулируется подбором жиклера малого газа, количество – упорным винтом дроссельной заслонки.

Благодаря своему простому устройству, легкому пуску мотора, отсутствию подвижных частей и высокому качеству топливной смеси из-за дополнительного перемешивания топлива с воздухом в компенсационном колодце, карбюраторы Бовери, продававшиеся под торговой маркой «Zenith» широко распространились по всему миру.

На рисунках:

1. Принципиалная схема карбюратора Zenith:

a – диффузор
b – воздушный канал
c – топливный канал к основной форсунке g
d – впускной патрубок мотора
g – основная форсунка
h – компенсационная форсунка
I – компенсационный жиклер
J – компенсационный колодец
p – дроссельная заслонка
v – поплавковая камера

2. Конструкция главной топливной системы карбюратора Zenith

3. Конструкция системы холостого хода карбюратора Zenith

i – жиклер малого газа
n – трубка малого газа
u – выходное отверстие системы малого газа

[Wad]

7.3. Изменение разрежения у форсунки

В 1912 году французский инженер Чарльз Клодель (Charles Claudel) предложил свой способ коррекции: он заключил топливную форсунку в оболочку и пропустил через оболочку поток воздуха, получив так называемый «воздушный инжектор». Изменение скорости потока воздуха, проходящего через оболочку, влияло на разрежение у выхода из форсунки, и, соответственно, управляло истечением топлива. Скорость потока через оболочку форсунки изменялась автоматически: входные отверстия оболочки были расположены у основания форсунки, а выходные – в центре дроссельного крана. На малых оборотах, когда дроссельный кран был прикрыт, в центре крана создавалось высокое разрежение и воздух засасывался в оболочку через отверстия, расположенные в ее нижней части. Когда дроссельный кран открывался, разница в разрежениях между центром дроссельного крана и основанием форсунки уменьшалась и скорость потока через оболочку форсунки падала, таким образом на малых оборотах подача топлива увеличивалась, а на больших – уменьшалась и состав смеси при изменении оборотов оставался приблизительно постоянным. Качество смеси на малых оборотах регулировалось специальным винтом, перекрывавшим вырез дроссельного крана, количество – либо упорным винтом дроссельного крана, либо регулировочным винтом, перекрывавшим канал малого газа.

Дополнительным плюсом «воздушного инжектора» было то, что он обеспечивал легкий запуск мотора и его устойчивую работу на малых оборотах без каких-либо дополнительных приспособлений.
Исключительная простота конструкции и особенно высокое качество приготовления горючей смеси, благодаря тому, что все топливо предварительно перемешивалось с воздухом, проходящим по оболочке форсунки, позволило карбюраторам Claudel стать не менее популярными устройствами, чем Zenith. Особенно большое распространение они получили в Англии.

На рисунке:

1. Конструкция карбюратора Claudel с воздушным инжектором:

A – отверстия в нижней части оболочки форсунки
B – оболочка форсунки
C – отверстие форсунки для истечения топлива
D – отверстия в верхней части оболочки форсунки

[Wad]

8. Вот уж, действительно – все относительно!

Итак, к концу 1900-х годов конструкция карбюраторов всасывающего типа в целом была отработана и применена в различных более или менее успешных авиационных моторах. Однако построить карбюраторный мотор, обладающий меньшим удельным весом, чем 2,5 кг/л.с. мотора Antoinette, долгое время не удавалось. Удельный вес двигателей с жидкостным охлаждением оставался велик из-за значительной массы радиатора и охлаждающей жидкости, а попытки создать двигатели с воздушным охлаждением упирались в недостаточный обдув цилиндров из-за небольших скоростей полета первых летательных машин. Веерообразный 3-цилиндровый Anzani с карбюратором Grouvelle et Arquembourg, на котором Блерио пересек Ла-Манш в 1909 году, имел удельный вес 2,7 кг/л.с. и не был расчитан на продолжительную работу. Использование вентилятора с приводом от коленвала для охлаждения цилиндров V-образного 8-цилиндрового мотора Renault обеспечило ему 3,4 кг/л.с. удельного веса и многим отбило охоту экспериментировать в этом направлении. Однако вскоре инженерная мысль вырвалась из этого «бесплодья умственного тупика», когда на Парижской авиационной выставке 1909 года авиаторам всего мира был представлен ротативный мотор Gnome.

Сама по себе концепция ротативного мотора была не нова, но создатели мотора Gnome - братья Сеген предложили оригинальное решение вопроса подачи горючей смеси в цилиндры – они пропустили поток смеси через полую цапфу коленвала. Это позволило радикально упростить конструкцию мотора и уйти в отрыв от прочих систем по удельному весу, получив результат в 1,5 кг. на л.с., а вращение корпуса мотора с цилиндрами вокруг неподвижного коленчатого вала решило вопрос с охлаждением. В течение 1909 – 1913 годов самолеты с моторами Gnome завоевали все мировые рекорды, кроме рекорда дальности. Дело заключалось в том, что у этой компоновки была и оборотная сторона: смазка движущихся частей представляла значительную проблему – вращающийся с большой скоростью мотор не мог удержать в себе масло и оно просто вылетало через выхлопные окна наружу. В результате расход масла ротативных моторов был соизмерим с расходом топлива, который тоже был не самый маленький. Поэтому такие моторы были хороши только для полетов на небольшие растояния – в рекордном полете на дальность победил тот самый тяжеленный Renault, для которого потребовался значительно меньший запас горючего и масла.

На первые экземпляры моторов Gnome устанавливали автоматический карбюратор с коррекцией смеси воздушным клапаном, однако вскоре выяснилось, что лучшие результаты дает карбюратор впрыскивающего типа.

В карбюраторе Gnome ранней конструкции состав смеси регулировался впуском добавочного воздуха через специальное отверстие в корпусе, закрытое подвижной заслонкой. От дроссельной заслонки и заслонки добавочного воздуха шли тросики к секторам газа и воздуха, или, как их называли иначе, к сектору количества и сектору качества смеси.

Поскольку ротативный мотор обладает большой инерцией, оказалось возможным изменять положение дроссельной заслонки и подбирать соответствующее положение регулятора качества смеси без риска моментально заглушить мотор (Aircraft Propulsion. Taylor. 1971), поэтому карбюраторы Gnome, несмотря на свою довольно простую конструкцию, неплохо зарекомендовали себя в эксплуатации.

На рисунках:

1. карбюратор Gnome раннего образца.

Fuel jet – топливная форсунка

Air slide – заслонка добавочного воздуха

Throttle – дроссельная заслонка

2. Аэроплан Фарман с мотором Гном. Хорошо видны два сектора управления мотором.

[Wad]

В карбюраторе Гном поздней конструкции функцию дроссельной заслонки и заслонки добавочного воздуха выполняет дроссельный кран, а состав смеси регулируется изменением подачи топлива с помощью топливного регулятора, установленного отдельно от карбюратора.

Моторы Гном выпускали по лицензии во многих странах, включая Россию. Германская моторостроительная фирма Oberursel выпускала 80- и 100-сильные «Гномы» под обозначением U.0 и U.I.

На рисунках:

1. Компоновка карбюратора Gnome поздней конструкции

2. Органы управления мотором Oberursel U.I. Двигатель предназначен для установки на самолете с тянущим винтом и карбюратор размещался между ног у пилота. Обороты мотора регулировались рычагом, расположенным над карбюратором, а состав смеси – топливным регулятором.

[Wad]

9. Deutschland, Deutschland uber alles!

Надежность первых авиационных моторов была невысока, в этом отношении показателен бортовой журнал английского пионера авиации Мориса Эгертона:

http://www.eastchurchpc.kentparishes..._logbook_3.pdf

Его записи охватывают период с 1909 г. по 1911 в течении которого он совершал полеты на аэропланах, оснащенными моторами Wright, Wolseley, Green и Gnome. Серьезных поломок моторов не было, но перебирать моторы и устранять мелкие неисправности приходилось практически ежедневно!

В 1911-1912 годах правительства ведущих промышленных держав приступили к созданию военной авиации. В связи с этим возросли требования к надежности и экономичности моторов и конструкторы вновь обратились к двигателям с жидкостным охлаждением. Наибольших успехов в этой области удалось достичь промышленности Германии. Несмотря на сравнительно позднее начало работ над авиационными двигателями, машиностроительные заводы Германии, опираясь на свой опыт создания автомобильных моторов, за счет совершенства газодинамических процессов и элементов конструкции смогли добиться высокой литровой мощности стационарных моторов с жидкостным охлаждением и тем самым обеспечить им приемлимый удельный вес. Особенный успех выпал на фирму Daimler Motoren Geselschaft, основаную в 1890 году Готтлибом Даймлером и Вильгельмом Майбахом, создавшую технологию постройки рядных двигателей с литыми цилиндрами, наварными рубашками системы охлаждения, верхним распредвалом и дублированной системой зажигания. Двигатели Daimler Motoren Geselschaft, выпускавшиеся под торговой маркой Mercedes, стали первыми действительно надежными моторами в истории авиации, что позволило немцам завоевать все авиационные рекорды (уступив только рекорд скорости мотору Gnome) в течение 1913-1914 годов. Технологию Mercedes использовали в дальнейшем не только почти все авиамоторостроительные фирмы Германии, но и множество зарубежных компаний, таких как Rolls-Royce, Renault и Packard и именно она была использована американскими инженерами, совместившими ее с компоновкой V-образного двигателя и получившими в результате лучший двигатель Первой мировой войны - Liberty, который впервые в мире перешагнул рубеж удельного веса в 1 кг на л.с.

В 1916 году выпуск 6-цилиндровых «Мерседесов» был освоен на крупнейшем Российском авиамоторном предприятии «ДЕКА» в Александровске, известном сейчас под названием «Мотор Сич».

Для немецкой школы авиационного двигателестроения было характерно чрезвычайное разнообразие конструкций карбюраторов и систем коррекции. Наиболее широко применялась коррекция впуском добавочного воздуха, причем существенно упрощенной, по сравнению с принципом Кребса, системы. Поскольку для авиационного мотора, нагруженного воздушным винтом фиксированного шага, положение дроссельной заслонки однозначно определяет обороты мотора, а значит и разрежение в диффузоре, то оказалось возможным просто соединить воздушный клапан с дроссельной заслонкой и выполнить их в виде одной детали. Одним из первых карбюраторов такого типа был разработан в фирме Daimler Motoren Geselschaft.

На рисунках:

1. Авиационный карбюратор Mercedes раннего образца, максимальные обороты.

Воздух поступает в карбюратор через воздушный канал a, затем проходит через диффузор b, где смешивается с топливом, поступающим через форсунку f под воздействием разрежения в диффузоре.
При работе мотора на максимальных оборотах горючая смесь проходит мимо открытого цилиндрического дроссельного золотника h в смесительную камеру c и далее во впускной коллектор мотора. Дополнительный воздух поступает в смесительную камеру через окно в дроссельном золотнике h, которое открывается при перемещении дроссельного золотника в правое положение.

2. Авиационный карбюратор Mercedes раннего образца, холостой ход.

Для перевода мотора на малые обороты пилот перемещает дроссельный золотник налево, воздушный канал перекрывается, одновременно закрывается окно для добавочного воздуха. В карбюраторе реализована оригинальная система малого газа. При закрытом дроссельном золотнике за золотником образуется значительное разрежение, которое передается по трубочке i к выходному отверстию форсунки f и обеспечивает устойчивое истечение топлива на малых оборотах. Недостатком этой схемы является отсутствие возможности оперативной регулировки топливной смеси малого газа.

3. 8-цилиндровый мотор Mercedes, тип J8L с карбюратором вышеописанного типа.

[Wad]

4. Авиационный карбюратор Benz.

В торцевой стенке цилиндрического дросселя Drossel Mantel имеются отверстия. При повороте дросселя они совпадают с отверстиями в стенке карбюратора и через них в корпус дросселя проникает добавочный воздух Zusatzluft.

Форсунка главной топливной системы Hauptduse и форсунка системы малого газа Leerlaufduse выполнены в виде одной детали. Регулировка разрежения у форсунок осуществляется дросселем.

[Wad]

5. Австрийские моторы Austro-Daimler также были снабжены карбюраторами с системой коррекции, работающей по такому же принципу

Из особенностей конструкции карбюратора Austro-Daimler следует отметить центральную поплавковую камеру, поддерживающую постоянный уровень топлива в форсунке независимо от наклона самолета.

Haupt-luft – поступление основного потока воздуха

Benzin-zufluss – поступление бензина

Benzine-Filter – бензиновый фильтр

Swimmer – поплавок

Benzine-Duse – топливная форсунка

Lufte-Duse – диффузор

Swimmer-Nadel – игла топливного клапана поплавка

Ablass-Nippel – сливной кран рубашки подогрева карбюратора

Dreh-Kolben – дроссельный кран

Vorwarme-Leitnung – поступление жидкости в рубашку подогрева

Sang-Rohr – труба впускного коллектора

Gemisch – топливная смесь

Nebenluft – дополнительный воздух

[Wad]

Помимо коррекции впуском добавочного воздуха через дроссель, применялись и иные способы:

6. Карбюратор Mercedes, поздняя конструкция, изменение разрежения в диффузоре методом впуска добавочного воздуха через гравитационный клапан.

Принцип действия системы коррекции близок к схеме карбюратора Grouvelle et Arquembourg, но впуск добавочного воздуха регулировали не шарики, а один массивный гравитационный воздушный клапан Ringschieber, прижимавшийся к своему седлу под действием силы тяжести. Поскольку в такой конструкции разрежение в смесительной камере на высоких оборотах равно весу клапана, коррекция осуществлялась грубее, чем в случае использования шариков различного размера, однако за счет своей значительной массы гравитационный клапан дополнительно работал как демпфер и предотвращал перебои в работе мотора из-за обеднения топливной смеси при резком открытии дроссельной заслонки, что происходило в то время с любыми другими карбюраторами.

Система малого газа представляла собой отдельный карбюратор, со своей топливной форсункой и диффузором, выходной канал которого открывался в полость цилиндрического дросселя, в котором создавалось значительное разрежение при работе мотора на малых оборотах. Качество смеси малого газа регулировались перемещением диффузора малого газа относительно форсунки, количество – поворотом дросселя.

Карбюратор Mercedes оказался довольно удачным и его принцип действия был использован в карбюраторах Renault и Fiat .

[Wad]

7. Карбюратор Pallas, устанавливался на моторы N.A.G. Коррекция снижением разрежения в форсунке.

Центральная поплавковая камера обеспечивает независимость уровня топлива в форсунке от наклона самолета.

Топливная форсунка особой конструкции установлена наклонно в корпусе карбюратора и может быть легко извлечена из него для очистки и профилактики.

Принцип действия системы коррекции близок к принципу работы компенсационной форсунки карбюратора Zenith и заключается в следующем:

Подача топлива в форсунку ограничена главным жиклером Brennstoffduse. В корпус форсунки вставлена воздушная трубка Tauchrohr, образующая компенсационный колодец. Подача воздуха в воздушную трубку ограничена воздушным жиклером Korrektur-Luftduse, прикрытым воздушным фильтром Schutzsieb. В нижней части воздушной трубки имеются отверстия для выхода воздуха Luftofnungen. В центре корпуса форсунки расположены отверстия для распыления топлива Brennstoffaustritt, уровень топлива в поплавковой камере поддерживается чуть ниже этих отверстий. С увеличением оборотов мотора уровень топлива внутри воздушной трубки падает и когда он доходит до нижних отверстий воздушной трубки, через них начинает подсасываться воздух, который уменьшает разрежение в форсунке и снижает подачу топлива, аналогично тому, как это происходит в компенсационном колодце карбюратора Zenith. Однако в отличие от системы Zenith, воздушная трубка карбюратора Pallas соединена с атмосферой через воздушный жиклер, вследствие чего в ней образуется некоторое разрежение, зависящее от оборотов мотора, и расход топлива в карбюраторе Pallas не остается постоянным, как это происходит в компенсационной форсунке карбюратора Zenith, а слегка увеличивается с ростом оборотов, что дает возможность использовать только одну форсунку вместо двух, как это сделано в карбюраторе Zenith. Предварительное перемешивание топлива с воздухом в топливной форсунке благотворно влияет на качество горючей смеси.

Система малого газа выполнена аналогично карбюратору Zenith, но топливо поступает в трубку малого газа непосредственно из топливной форсунки основной топливной системы, в которой оно перемешивается с воздухом, образуя топливную эмульсию.

[Wad]

8. Карбюратор Zenith, устанавливался на моторы Koerting.

Конструкция карбюратора идентична конструкции карбюратора Zenith, описаной выше.

[Wad]

9. Карбюратор Cudell, устанавливался на моторы Argus.

Конструкция карбюратора идентична карбюратору Grouvelle et Arquembourg, описанному выше.

[Wad]

10. А все-таки они вертятся!

Развитие немецких рядных «шестерок» подхлестнуло конструкторов ротативных моторов.

Проблемным местом двигателей Gnome был автоматический, то есть открывающийся за счет разрежения в цилиндре, впускной клапан, расположенный в днище поршня – решение уже на тот момент времени довольно архаичное. Автоматическим клапанам были свойственны два принципиальных недостатка: во-первых, их нельзя было как следует прижимать к седлу, иначе они просто не открылись бы под действием разрежения, а во-вторых, для лучшего наполнения цилиндра горючей смесью впускные клапаны желательно открывать в определенный момент, а не тогда, когда они откроются сами. Эти соображения привели к созданию в 1913 году мотора с экстраординарной системой газораспределения, который получил название Gnome-Monosoupape.

Внешне Monosoupape почти ничем не отличался от обычного мотора Gnome, однако его внутреннее устройство было иным. Клапаны в поршнях отсутствовали, а для подачи горючей смеси в цилиндрах были выполнены перепускные каналы между картером и внутренним объемом цилиндра, окна которых открывались в момент достижения поршнем нижней мертвой точки, наподобие того, как это сделано в традиционных двухтактных моторах. Зажигание горючей смеси происходило обычным образом, не доходя 20 град. до верхней мертвой точки. Далее поршень двигался вниз, но выпускной клапан открывался намного раньше, чем в традиционных четырехтактных двигателях – на половине хода поршня, чтобы к моменту открытия перепускного канала давление в цилиндре было бы сброшено и выхлопные газы через перепускной канал не проникли бы в картер. Таким образом, такт выпуска начинался не доходя 90 град. до нижней мертвой точки и продолжался до достижения поршнем верхней мертвой точки. В начале такта всасывания выпускной клапан продолжал оставаться открытым еще 135 град. от верхней мертвой точки и через него в цилиндр поступал чистый воздух, одновременно охлаждавший клапан. Далее выпускной клапан закрывался и в цилиндре создавалось разрежение. Не доходя 20 град. до нижней мертвой точки верхняя кромка поршня начинала открывать окна перепускного канала и цилиндр заряжался порцией сверхобогащенной топливной смеси, которая, смешиваясь с чистым воздухом, наполнявшим цилиндр, создавала горючую смесь нормального состава. Такт сжатия происходил традиционным образом.
Горючая смесь, находящаяся в картере была настолько богатый, что не могла гореть без дополнительного воздуха и это предотвращало ее воспламенение через перепускной канал, соединявший цилиндр с картером. Для того, чтобы создать такую богатую смесь, братья Сеген перенесли топливную форсунку в глубину впускной трубы и впрыскивали топливо непосредственно в картер мотора. При такой компоновке дроссельную заслонку ставить было негде и перед братьями Сеген возникла задача создания какого-либо иного устройства для изменения оборотов мотора.

В моторах Gnome-Monosoupape первых лет выпуска изменение оборотов производилось с помощью специального механизма, изменяющего длительность и высоту открытия выпускных клапанов, но оказалось, что на некоторых режимах работы это приводило к их перегреву и повреждению, поэтому через некоторое время братья Сеген предложили взамен этой системы оригинальный комбинаторный механизм, периодически выключающий зажигание в определенных цилиндрах. Однако прерывание зажигания в цилиндрах вызывало неравномерную работу мотора, а цилиндры, в которых происходил пропуск зажигания быстро забивались нагаром, поэтому от этой системы тоже в конце концов отказались и мотор стал однорежимным. Изменять обороты можно было только в небольших пределах, изменяя состав смеси топливным корректором или периодически выключая зажигание. (The Aeroplane Engine, Marks, 1922)

С 1914 по 1917 год моторы Gnome-Monosoupape 100 HP выпускали серийно на заводе филиала фирмы «Gnome» в Москве.

На рисунке:

Продольный разрез мотора Gnome-Monosoupape Type B-2

[Wad]

Успех, выпавший на долю моторов Gnome, вызвал всеобщее оживление и ряд моторостроительных команий разработали свои собственные ротативные моторы улучшеной конструкции. Наиболее совершенной оказалась продукция фирм Le Rhone и Clerget. В Германии лицензию на выпуск моторов Le Rhone приобрела фирма Oberursel и в 1916 году приступила к выпуску 110-сильной модели Le Rhone 9J под обозначением UR.II. Двигатели Le Rhone серийно выпускали в Москве с 1915 по 1931 г. Английский офицер W. O. Bentley на основе мотора Clerget разработал облегченный за счет широкого использования аллюминиевых деталей мотор увеличеного объема, получивший обозначение B.R.-1 (Bentley Rotary – 1). Вскоре он еще раз увеличил его рабочий объем, и новый мотор под обозначением B.R.-2 стал широко использоваться в английской авиации.

В результате глубокой модернизации французских конструкций, инженерам германской фирмы Siemens удалось создать пригодные к практической эксплуатации биротативные двигатели. В этих моторах между коленвалом и картером мотора был установлен дифференциал, корпус которого неподвижно крепился к фюзеляжу самолета в результате чего картер двигателя с цилиндрами вращался в одну сторону, а коленвал – в противоположную. Таким образом, скорость вращения цилиндров мотора относительно воздуха была равна половине скорости вращения коленвала относительно цилиндров, что существенно снижало гироскопический эффект и мощность, затрачиваемую на обдув цилиндров.

Попытки улучшить карбюратор Gnome предпринимались неоднократно. Ротативные моторы в силу своей конструкции позволяли легко снять штатный карбюратор и заменить его на карбюратор другой системы. Таким тюнингом занимался, например, Моррис Эгертон (см. ссылку выше) – он заменил штатный карбюратор Gnome на карбюратор Florence, и нашел его весьма удобным для использования. Карбюратор Florence конструкции английских инженеров Альфреда Чиземана (Alfred Cheeseman) и Йозефа Флоренс (Joseph Florence) отличался от стандартного воздушной заслонкой чечевицеобразного сечения, которая одновременно играла роль топливного крана. В ось воздушной заслонки подавалось топливо, затем через через каналы в заслонке оно поступало на ее боковую грань и распылялось в полый коленчатый вал мотора. Поворот заслонки одновременно изменял проходные сечения воздушного и топливного каналов, таким образом осуществлялась грубая настройка состава смеси. Тонкая настройка производилась, как и в оригинальном карбюраторе Gnome, отдельным топливным регулятором. Однако Эгертон заметил, что с карбюратором Florence мотор дает чуть меньшие максимальные обороты, чем со стандартным и, как он выразился, с сожалением вернулся к прежнему карбюратору.

На рисунке:

1. Конструкция карбюратора Florence

А – корпус карбюратора

A1 – впуск воздуха

A2 – резьбовое соединение корпуса с полым коленвалом ротативного мотора

B – воздушная заслонка

b – полая ось воздушной заслонки, в которую подается топливо

b4 – топливный канал

b6 – отверстие, через которое происходит распыление топлива в коленвал

[Wad]

В карбюраторе системы Siemens топливный регулятор грубой настройки размещен непосредственно в корпусе карбюратора и просто механически связан с дроссельным краном тягой. Регулятор тонкой настройки установлен отдельно.

На рисунке:

1. Конструкция карбюратора Siemens

1 – корпус карбюратора

2 – дроссельный кран

3 – заслонка

4 – топливная форсунка

5 – поворотная гильза, регулирующая подачу топлива из форсунки

6 – рычаг управления подачей топлива

7 – соединительная тяга

8 – рычаг управления дроссельным краном

11 - дренаж

[Wad]

Цилиндрический корпус карбюратора Clerget являлся продолжением полого коленвала. Воздух в карбюратор подавался через два дюритовых горизонтальных воздуховода (их называли «усы»), соединенных с воздухозаборными отверстиями в фюзеляже. Подача воздуха регулировалась цилиндрическим дросселем, в основание которого была вкручена на резьбе топливная форсунка. При повороте дросселя форсунка завинчивалась или вывинчивалась из дросселя, перемещаясь таким образом вдоль продольной оси карбюратора. В форсунку была вставлена регулировочная игла и перемещение форсунки при повороте дросселя вызывало соответствующее изменение потока топлива. Регулировочная игла в свою очередь также была завинчена в резьбовое отверстие кронштейна своего крепления и на хвостовике иглы закреплялся рычаг тонкой настройки. Завинчивая или отвинчивая иглу можно было производить тонкую настройку состава смеси. Соединение форсунки с иглой герметизировалось сальником, топливо подводилось к форсунке сбоку через штуцер. Резьба на форсунке и регулировочной игле была одного шага, в связи с чем у карбюратора Clerget была интересная особенность – одновременное движение сектора газа и сектора тонкой настройки смеси вызывало одновременное перемещение форсунки и регулировочной иглы в результате чего подача топлива оставалась без изменения и изменялась только подача воздуха.

На рисунке:

1. Конструкция карбюратора Clerget

Fuel Jet – топливная форсунка

Throttle Valve – дроссельный кран

Fuel Needle Valve Lever – регулировочный рычаг тонкой настройки смеси