Авиационные карбюраторы: краткий исторический обзор

[Jax_on]

... Поэтому надеяться, конечно, можно.

Отличные новости! Спасибо за ответ, очень надеюсь, что Ваше и 777 сотрудничество окажется плодотворным.

[Filosov]

Высотный карбюратор переразмеренного мотора B.M.W. автором которого был главный конструктор фирмы B.M.W. Макс Фриц (Max Friz), относится к малораспространенному, в силу своей громоздкой конструкции, типу так называемых «регистровых» карбюраторов, коррекция состава горючей смеси в которых осуществляется просто объединением в единый корпус нескольких карбюраторов элементарной конструкции, готовящих смесь различного состава, и поочередным вводом их в действие при открытии дроссельной заслонки.

Конструкция карбюратора показана на рис. 1, принцип действия его работы следующий:

Карбюратор состоит из трех элементарных карбюраторов, причем центральный карбюратор готовит нормальную топливную смесь, два боковых – обедненную. В воздушных каналах каждого карбюратора размещены дроссельные заслонки 7, 8, 9, связанные между собой тягами таким образом, что боковые заслонки начинают открываться тогда, когда центральная заслонка уже открыта наполовину. Скорость поворота крайних заслонок в два раза превышает скорость поворота центральной заслонки, поэтому при полностью открытой центральной заслонке, боковые заслонки тоже полностью открыты. Тяга управления этими заслонками выведена в кокпит пилота и присоединена к сектору, получившему название «сектор нормального газа» (normalgas-hebel).

В боковых карбюраторах между заслонками нормального газа и диффузорами установлены дополнительные дроссельные заслонки 11,12 с небольшими вырезами по краям. Эти две заслонки связаны между собой а тяга управления ими выведена в кокпит пилота и присоединена к сектору, получившему название «сектор высотного газа» (hohengas-hebel).

Карбюратор настроен так, чтобы на расчетной высоте при всех полностью открытых заслонках состав горючей смеси был бы оптимальным. Как и в других карбюраторах переразмеренных моторов, описаных выше, высотная коррекция горючей смеси на высотах ниже расчетной происходит в процессе дросселирования мотора. Пилот прикрывает заслонки высотного газа, при этом объем обедненной горючей смеси из боковых карбюраторов уменьшается, а объем горючей смеси нормального состава из центрального карбюратора остается прежним и смесь обогащается.

Коррекция состава горючей смеси с увеличением оборотов мотора осуществляется за счет разной скорости вращения заслонок нормального газа: на средних оборотах боковые заслонки нормального газа полностью закрыты и горючая смесь поступает только из центрального карбюратора. При повороте заслонки нормального газа на угол больше 45 град. боковые заслонки нормального газа начинают открываться и смесь обедняется. Вблизи земли, даже при полностью закрытом секторе высотного газа, необходимый для этой коррекции поток обедненной смеси поступает через вырезы в заслонках высотного газа.

Система малого газа устроена традиционным образом, с выводом канала малого газа в задроссельное пространство.

Мотор B.M.W. IIIa, созданный в результате глубокой модернизации мотора Mercedes, продемонстрировал выдающиеся характеристики и экстремально низкий удельный расход горючего – менее 200 грамм на л.с. в час во многом благодаря этому карбюратору, однако звезда военного счастья Германии в эти дни уже клонилась к закату.

На рисунках:

1. Конструкция высотного карбюратора B.M.W

2. Сравнительные характеристики удельного расхода топлива моторов B.M.W., Mercedes и Benz.

3. Групповая фотография, снятая после второго тестового полета на самолете Rumpler C.IV с экспериментальным мотором B.M.W. Крайний справа – Макс Фриц.

А можно пояснить график? Там так ориентированы обороты, что получается, что минимальный расход при максимальных оборотах.
Я кстати помучал Готу на продолжительность полета. Есть вопросы. Отпишусь в теме про Готу.

[Wad]

На графике изображена винтовая характеристика двигателя B.M.W. - зависимость изменения эффективной мощности (Ia) и эффективного удельного расхода топлива (I) от оборотов при нагрузке двигателя винтом постоянного шага. Обороты мотора регулируются изменением положения дроссельных заслонок карбюратора. Удельный расход топлива дан в граммах на лошадиную силу в час. Таким образом, часовой расход топлива для определенных оборотов можно рассчитать, если умножить величину удельного расхода топлива по графику (I) на мощность мотора для тех же оборотов по графику (Ia). Для примера на этой же характеристики показан удельный расход топлива двигателей Mercedes и Benz - часовой расход по ним определить невозможно, поскольку на диаграмме не показаны соответствующие им графики эффективной мощности, но в целом можно сказать, что мотор B.M.W. демонстрирует более высокий эффективный КПД.

[Filosov]

А кстати существуют графики изменения мощности от высоты для переразмеренных двигателей? Для БМВ часто пишут, что он имеет мощность 185л.с. Это случаем не мощность у земли?
Спасибо за ответы и за темы =)

[Wad]

Да, 185 л.с. при 1400 об/мин - это номинальная земная мощность B.M.W. из его описания.

Разговор о карбюраторах, пожалуй, и действительно, никак не может обойтись без высотных характеристик.

Высотную характеристику невысотного двигателя (зависимость эффективной мощности мотора и эффективного расхода топлива от высоты при постоянном числе оборотов и полностью открытом дросселе) довольно легко получить расчетным путем.

На основании теоретических расчетов и экспериментальных данных было установлено, что мощность невысотного авиационного двигателя на высоте изменяется по формуле:

Neh = Ne0 *(1,11 * Δh – 0,11), где

Neh – эффективная мощность мотора на высоте
Ne – эффективная мощность мотора на уровне земли

Δh = (ph / p0) * (T0 / Th) ^ 0,5, где

ph – барометрическое давление воздуха на высоте
p0 – барометрическое давление воздуха на уровне земли
T0 – температура воздуха на уровне земли
Th – температура воздуха на высоте

Механический КПД на высоте изменяется по формуле:

ηmh = 0,9545 – 0,0915 / Δh

И эффективный удельный расход топлива на высоте изменяется по формуле:

Ceh = Ce0 / (1,11 – 0,11 / Δh) , где
Ce0 – эффективный удельный расход топлива на уровне земли

В результате получается такой график:

[Wad]

Высотная характеристика переразмеренного мотора строится исходя из значения эквивалентной мощности, которая обычно специально для этой цели указывается в его описании. Поскольку у земли переразмеренный мотор должен быть задросселирован и пилот не имеет возможности во время подъема на высоту плавно и непрерывно открывать дроссель так, чтобы мощность, отдаваемая мотором, поддерживалась бы постоянной, то обычно в инструкции летчику просто указывают максимальное положение дросселя, на которое он может быть открыт на земле и высоту, на которой он может быть открыт полностью. Изменение мощности мотора с высотой при этом будет иметь такой вид:

[Wad]

Однако высотная характеристика мотора обычно требуется с практической целью - для того, чтобы на ее основе получить располагаемую мощность винтомоторной группы. При этом необходимо обратить внимание на два фактора:

1. Высотная характеристика рассчитывается исходя из постоянного числа оборотов, но у реального самолета обороты с подъемом на высоту будут падать, что приведет к дополнительному снижению мощности.

2. Высотная характеристика рассчитывается исходя из постоянного состава смеси, но у реального самолета состав смеси с подъемом на высоту может изменяться.

Карбюраторы с ручной регулировкой состава смеси дают возможность пилоту во время подъема периодически корректировать смесь по максимуму оборотов, поэтому для таких моторов располагаемая мощность рассчитывается из предположения что пилот будет поддерживать состав смеси на оптимальном уровне. Почти все авиационные моторы союзников относились к этому типу, но с немецкими моторами все было иначе. Невысотные немецкие рядные моторы, такие как Mercedes D IIIa, вообще не имели высотного корректора и состав смеси у них сильно обогащался с ростом высоты. Высотные рядные немецкие моторы оснащались карбюраторами с автоматической высотной коррекцией, но эта коррекция никаким образом не следовала за изменением атмосферного давления, а была просто привязана к положению дроссельной заслонки. Идея заключалась в том, что у земли дроссельная заслонка переразмеренного мотора всегда прикрыта, а на высоте – всегда открыта и если соединить с ней топливный регулятор, то получится двухпозиционный корректор, изменяющий настройку карбюратора в момент достижения расчетной высоты.

Это решение, с одной стороны, существенно разгружало пилота от необходимости уделять внимание дополнительному органу управления, но с другой стороны, приводило к довольно серьезным изменениям в протекании высотной характеристики по сравнению с традиционными системами. Рассмотрим влияние такой автоматики на работу мотора.

Прежде чем показать немецкие высотные характеристики – пару слов о принципе их построения.

По горизонтальной оси координат немцы указывали не значения высоты, как это принято во всех прочих странах, а отношение плотности воздуха на высоте к плотности воздуха на уровне земли μ = γ / γ0, таким образом крайнее правое значение μ = 1 соответствует давлению воздуха на поверхности земли, а крайнее левое значение μ = 0 – безвоздушному космическому пространству.

Для того, чтобы было понятно какой высоте соответствует та или иная мощность, на график наложена калибрационная кривая “Hohenkurve”, с отметками высот, соответствующим левой вертикальной шкале.

Под горизонтальной осью графика расположена зона мощности трения, причем для всех моторов она строится одинаково – в крайней левой части графика по вертикальной оси откладывается -0,1 от номинальной индикаторной мощности на уровне земли Ni0 вниз от значения μ = 0,1, а в крайней правой части: -0,15 * Ni0.

Высотные характеристики строятся из предположения о том, что мощность с высотой уменьшается пропорционально плотности воздуха, что дает возможность обозначить границы достижимой мощности “Ladungsgrenze”, которые проходят в виде касательных от левого нижнего угла диаграммы к линии характеристики мощности.

В верхней части диаграммы проводится граница эксплуатационной мощности "Betriebgrenze" через точку номинальной мощности параллельно границе мощности трения.

Для примера: высотные характеристики обычного (gewohnglichen) и высотного (hohen) мотора. Из характеристики видно, что высотный мотор поддерживает номинальную мощность до высоты 4 000 м.

[Wad]

Переходим к реальным характеристикам, полученым в испытательном центре в Адлерсгофе.

Высотная характеристика мотора B.M.W. IIIa размеренностью 150х180 мм и степенью сжатия 6,37, снятая при 1350 об/мин позволяет доподлинно точно ответить на вопрос: «Какую мощность разовьет этот мотор если на земле ему дать полный высотный газ?» В описании испытаний сказано: “Um zusammenhangende Kurven und unverandertes λ zu erhalten, wurde der Vergaser vom Beginn an auf “Hohenstellung” gestellt. Die Folge waren allerdings bis ungefahr 1 km Hohe unregelmassiger Gang des Motors und Ruckschlage in die Saugleitung wegen zu mageren Gemisches. Von 1 km bis 7,5 km Hohe life der Motor einwafrei und ohne storende Drehmomentschwankungen; von 7,5-9,5 km Hohe stellten sich, vielleicht infolge allzu starker Anreicherung des Brennstoffgemisches, wieder Unregelmassugkeiten im Gang ein.”

Что означает:

«Для сохранения взаимосвязи кривых и постоянства коэффициента наполнения, карбюратор с самого начала был установлен в высотную конфигурацию (“Hohenstellung”). Разумеется, при этом до достижения высоты в 1 км наблюдалась неравномерная работа и обратные вспышки во впускной коллектор из-за чрезмерно обедненной горючей смеси. Начиная с высоты 1 км до 7,5 км мотор работал безупречно и без тревожных флуктуаций крутящего момента, на высоте 7,5 – 9,5 км снова возобновились перебои в работе, возможно вследствие чрезмерного обогащения горючей смеси.»

Из характеристики видно, что при полностью открытых дроссельных заслонках, соответствующих высотной конфигурации карбюратора, эффективная мощность мотора Ne, несмотря на неравномерную работу и обратные вспышки, составляет 208 л.с. х 1350 об/мин. По касательной, проведенной к графику зависимости мощности от высоты, можно определить величину теоретической земной мощности (эквивалентной мощности) – примерно 250 л.с. х 1350 об/мин. Кривая эффективной мощности отваливает от теоретической линии в сторону уменьшения значений из-за чрезмерного обеднения смеси, вызванного полностью открытыми заслонками высотного газа.

В нижней части диаграммы построен график зависимости удельного эффективного расхода топлива g/PsSt из которого следует, что на высотах 1 – 7,5 км, соответствующих нормальной работе мотора, удельный расход горючего находится в диапазоне 180-250 гр/л.с.*ч, что является необычайно низким значением для авиационных моторов.

Рядом показаны характеристики того же самого мотора при работе на бензоле, они почти идентичны – это хороший аргумент против сторонников теории о том, что мощность мотора должна сильно различаться из-за разницы в составе топлива.

[Wad]

Ниже представлена высотная характеристика переразмеренного мотора Mercedes DIIIav (v = “Vergrosserter”) – этот мотор аналогичен по конструкции мотору DIIIau (u = “Uberverdichtung”) но диаметр его цилиндров увеличен до 145 мм. На этой диаграмме изображены высотные характеристики мотора сразу для двух положений дросселя карбюратора: земного (“Bodenstellung”) и высотного (“Hohestellung”). Так же, как и в карбюраторе B.M.W., при полностью открытом дросселе (“Hohestellung”) карбюратор готовит обедненную смесь, которая обеспечивает повышенную мощность мотора на высоте. На высотах менее 2 км кривая мощности “Hohestellung” сильно изгибается в сторону малых значений из-за чрезмерного обеднения горючей смеси и земная мощность при полностью открытом дросселе составляет чуть меньше 180 л.с. При прикрытом дросселе (“Bodenstellung”) карбюратор готовит смесь соответствующую малым высотам, поэтому мощность мотора вблизи земли с прикрытым дросселем существенно выше чем с открытым: около 200 л.с.

На примере этой диаграммы хорошо видно, почему нет смысла форсировать немецкий переразмеренный мотор вблизи земли открытием дроссельной заслонки – как только заслонка будет полностью открыта, мотор вместо работы по “Bodenstellung” начнет работать по “Hohestellung” и вместо 200 л.с. будет развивать всего 180.

[Schlag]

Вопрос к Wad-у. За счет чего была увеличена компрессия в двигателе DIIIau?
Немного не в тему пардон

[Wad]

За счет изменения формы днища поршня, было так:

[Wad]

Стало так:

[Schlag]

Тээкс сейчас полетал на "Хальбе" Меня терзают смутные сомнения. Wad ты эту статью специально к патчу написал? Что то вроде руководства летной эксплуатации?

[Wad]

Нет, просто отвечал на вопрос Filosof'a. Так совпало, переразмеренных моторов, в общем-то, не так уж и много.

[andersbravers]

Добрый день! Не могу никак найти схему беспоплавкового карбюратора К-105БП, который стоял на ЛаГГ-3 (конкретно 29 серия интересует). Нет ли у вас какой-то информации, схемы по нему?

[Wad]

В "Хрониках Родионова" упоминается "Акт войскового испытания трех моторов М-105П с беспоплавковыми карбюраторами К-105БП и К-120БП на самолетах Як-1", в котором изложен принцип действия и дано краткое описание устройства этого карбюратора, посмотреть можно, например, здесь: http://knu.znate.ru/docs/index-498887.html?page=222

[andersbravers]

Спасибо за информацию. Нашел картинку , но там поплавковый карбюратор К-105. Про К-105БП описанием идет. Так в целом представление уже есть, можно по аналогичному беспоплавковому АК-82БП сориентироваться: мембраны, корректор - схема есть.