Silnik lotniczy tłokowy

silnik widlasty (12 cylindrów, Rolls-Royce Merlin z samolotu Avro York)

Lotniczy silnik tłokowy – silnik tłokowy, który konstrukcyjnie jest przystosowany do pracy w statku powietrznym – najczęściej w samolocie, śmigłowcu, wiatrakowcu lub sterowcu.

Specyfika

Silnik lotniczy powinien się charakteryzować wieloma cechami, w tym:

• Lekkość konstrukcji. Aby zmniejszyć masę konstrukcji stosuje się:
  • Niższe tłoki, krótsze korbowody niż w silnikach samochodowych – obniżając przy tym samym wysokość silnika ułatwiają jego zabudowę.
  • Stosowanie materiałów o mniejszej gęstości i większej wytrzymałości np. stopy glinu i magnezu, kompozyty.
  • Wielocylindrowość, celem dobrego wyrównoważenia silnika^[1].
  • Dość znaczne wysilenie – co uzyskuje się poprzez wysokie obroty pracy, wysokie Pe – co z kolei wymusza użycie paliw (głównie benzyna, ale też i olej napędowy) o wysokiej jakości (wysoka liczba oktanowa, ew liczba cetanowa), wysokiej jakości oleje silnikowe mające dobre parametry smarne w szerokim zakresie temperatur.
  • Lekkie układy rozruchowe – często oparte na urządzeniach bezwładnościowych (koło zamachowe w układzie rozrusznika, czasem rozruch pneumatyczny)
  • Brak koła zamachowego silnika (rolę tę pełni śmigło).
• Przystosowanie do pracy w różnych położeniach. Z powodu manewrów jakie w trzech wymiarach wykonuje samolot, silnik jego musi być przygotowany na tego typu manewry poprzez:
  • Układ smarowania zapewniający pracę pompy oleju i smarowanie istotnych elementów silnika.
  • Układ zasilania zapewniający z jednej strony dostarczanie do silnika nieprzerwanie paliwa, z drugiej zaś strony ma zapobiegać nadmiernemu przelewaniu się paliwa w zbiornikach, zapewnienia odpowiedniego odpowietrzania i zabezpieczenia przed wylaniem paliwa podczas lotu.
  • Układ chłodzenia zapewniający bądź szczelność i równomierność chłodzenia cieczą, bądź wymagany przepływ powietrza chłodzącego żeberka bloku cylindra i głowicy (wyjątkowo spotyka się silniki o bloku chłodzonym powietrzem, a głowicy chłodzonej cieczą). Do tego układy żaluzji zapobiegające wychłodzeniu silnika podczas lotu zniżającego z minimalną mocą, odpowiednie ciecze posiadające wysoką temperaturę wrzenia w obniżonym ciśnieniu atmosferycznym – dla zmniejszenia rozmiarów, masy i oporów chłodnicy.
  • Uszczelnienie silnika zapobiegające wypływowi cieczy eksploatacyjnych na zewnątrz.

• Przystosowanie do pracy na różnych wysokościach. Ponieważ statek powietrzny może mieć wysoki pułap lotu, gdzie ciśnienie atmosferyczne jest znacznie niższe niż na poziomie morza – zazwyczaj zaopatruje się go w różnorodne, czasem wyrafinowane sposoby układów doładowania aby zmniejszyć spadek mocy w miarę wzrostu wysokości lotu. Najczęściej stosuje się:
  • Sprężarki (najczęściej odśrodkowe).
  • Turbosprężarki.
  • Układy złożone (pierwszym stopniem jest turbosprężarka, drugim sprężarka odśrodkowa) czasem dodatkowo ładunek przechodzi przez chłodnicę (intercooler - np. niektóre odmiany silnika Pratt & Whitney R-2800).

• Niezawodność i pewność pracy. Aby zmniejszyć ryzyko przerwania pracy podczas lotu stosuje się:
  • Po dwie świece zapłonowe na każdy cylinder.
  • Dwa układy zapłonowe działające niezależnie od siebie.
  • Bada się podczas oblotów temperatury elementów składowych silnika, celem sprawdzenia efektywności jego chłodzenia i zmniejszenia ryzyka pożaru i zatarcia.
  • Stosuje lekkie lecz wydajne układy chłodzenia oleju silnikowego
  • Filtry powietrza wyposaża się w układy podgrzewające i chroniące przed oblodzeniem układów dopływu powietrza do silnika.
  • Rozbudowane układy kontrolno-pomiarowe pozwalające monitorować parametry pracy silnika i poziom paliwa podczas lotu.

• Wysoką wydajność napędową. Silnik tłokowy nie wytwarza ciągu – do jego wytworzenia używa się śmigła, które musi pracować w optymalnym dla siebie zakresie obrotów. Aby pogodzić to z wysoką prędkością obrotową silnika, stosuje się reduktor obrotów zmniejszający obroty śmigła i pozwalający na jego większą średnicę – co zwiększa ciąg śmigła.

Zdecydowany prymat w konstrukcjach lotniczych silników tłokowych wiodą silniki pracujące w obiegu czterosuwowym i zapłonem iskrowym, do rzadkości należą silniki o zapłonie samoczynnym (z uwagi na większą masę) a także silniki dwusuwowe – z uwagi na zwiększone zużycie paliwa i generowany hałas.

Zalety

Silnik lotniczy tłokowy charakteryzuje się następującymi zaletami:

• Krótki czas reakcji silnika na żądanie zwiększenia lub zmniejszenia mocy.
• Lepsze możliwości wytłumienia hałasu w stosunku do innych silników lotniczych.
• Łatwość zabudowy silnika w płatowcu.
• Łatwość serwisowania.

Wady

Silnik lotniczy tłokowy ma też i wady. Do najważniejszych można zaliczyć:

• Duża liczba części silnika podlegających częstej kontroli (układ zapłonowy, zasilania, smarowania, rozrządu) – duża czasochłonność obsługi bieżącej silnika.
• Znaczny przyrost masy i złożoności konstrukcji w miarę wzrostu mocy
• Duża zależność osiągów od pułapu lotu (z tego względu stosowane są różnorodne formy doładowania, które podnoszą masę i skomplikowanie konstrukcji)
• Duża średnica śmigła w przypadku dużej mocy silnika.

Z tego powodu lotniczy silnik tłokowy jest najchętniej stosowany przy niedużym zapotrzebowaniu na moc – np. w samolotach szkolnych, akrobacyjnych, samolotach aeroklubowych (holowanie szybowców) ew. rolniczych – wszędzie tam gdzie wystarczą małe i średnie moce, nie jest wymagany wysoki pułap lotu, a zalety silnika są szczególnie istotne.

Historia

Historycznymi lotniczymi silnikami tłokowymi są:

• silniki rotacyjne,
• silniki w nietypowych układach cylindrów np. układ X (dwa widlaste ze wspólnym wałem, układ H (dwa płaskie z dwoma wałami i wyprowadzeniem przez koło zębate na wał śmigła), układ W (trójrzędowy ze wspólnym wałem)
• Silniki bardzo dużej mocy (rozbudowane układy poczwórnej gwiazdy, podwójna gwiazda z układem odzysku energii gazów spalinowych).

Współcześnie

Współcześnie lotnicze silniki tłokowe spotyka się głównie w samolotach: szkolnych, akrobacyjnych, małych samolotach dyspozycyjnych, rolniczych, motoszybowcach, sporadycznie w śmigłowcach np. Robinson R22, Robinson R44. Dysponowane moce wynoszą od kilkudziesięciu KM do 1000 KM (silnik ASz-62IR). Silniki o mocach rzędu do 400 KM są najczęściej w układzie płaskim (6 cylindrów), rzędowym R6, rzadziej rzędowym R4, płaski 4 cylindry. Spotyka się też i silniki gwiazdowe, np. AI-14 o mocy 260 KM. W większych mocach dominują silniki gwiazdowe (7 lub 9 cylindrów).

Zdjęcia

• 

  Jeden z największych silników Pratt & Whitney R-4360 (poczwórna gwiazda, 28 cylindrów) stosowany np. w Boeing 377 Stratocruiser

• 

  Wright Cyclone GR 3350 (18 cylindrów, podwójna gwiazda, stosowany np. w Lockheed Constellation, Douglas DC-7

• 

  Pratt & Whitney R-2800 (14 cylindrów, podwójna gwiazda, stosowany np. w P-47

• 

  BMW 801D (14 cylindrów, podwójna gwiazda), stosowany np. w Fw 190

• 

  (Bristol Hercules 14 cylindrów, podwójna gwiazda, rozrząd Knighta) stosowany np. w samolocie Vickers Wellington Mk.X

• 

  (c) Paul Richter, CC-BY-SA-3.0

  Pratt & Whitney R-1830 (14 cylindrów, podwójna gwiazda) stosowany np. w samolocie C-47

• 

  ASz-62IR (gwiazda, 9 cylindrów) w samolocie Li-2

• 

  Jacobs R-755 (gwiazda, 7 cylindrów) z samolotu np. Cessna AT-17 Bobcat

• 

  AI-14 (gwiazda, 9 cylindrów) z samolotu PZL-104

• 

  Prosty silnik M-11FR (gwiazda, 5 cylindrów) stosowany np. Jak-18, LWD Junak

• 

  Rolls-Royce Griffon (12 cylindrów, silnik widlasty chłodzony cieczą) z samolotu np. Supermarine Spitfire Mk XVIII

• 

  Jumo 213 (12 cylindrów, silnik widlasty chłodzony cieczą) z samolotu np. Focke-Wulf Ta 152

• 

  DB 601A (12 cylindrów, silnik widlasty chłodzony cieczą) z samolotu np. BF 109-E1

• 

  Argus As 411 (12 cylindrów silnik widlasty chłodzony powietrzem z samolotu np. Focke-Wulf Fw 189, czy polskim CSS-12 (prototyp)

• 

  Lycoming O-540 (6 cylindrów, układ płaski, chłodzony powietrzem) np. z samolotu akrobacyjnego CAP 230, śmigłowca Robinson R44

• 

  Continental O-470 (6 cylindrów, układ płaski, chłodzony powietrzem do samolotu np. Cessna 180

• 

  Rotax 912 płaski 4 cylindry, chłodzony powietrzem, stosowany np. w samolocie 3Xtrim, Aero AT-3

• 

  Continental A65 (prosty silnik płaski, 4 cylindry, chłodzony powietrzem z samolotu Piper Cub

Przypisy

Linki zewnętrzne

• Lotnicze silniki tłokowe na Aviation-History.com