Семейство авиационных дизельных двигателей Jumo 205
Junkers Jumo 205
Двигатели Jumo 205: история немецких авиационных дизелей Junkers 1930-40х гг. Модели 204, 206, 207, 208 использовались на Ju 86 и BV 222. Произведено >900 шт.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Введение
Семейство авиационных дизельных двигателей
Aircraft diesel engine family
Двигатель Jumo 205 был самым известным из серии авиационных дизельных двигателей, производимых компанией Junkers. Jumo 204 впервые поступил в эксплуатацию в 1932 году. Более поздние двигатели этого типа включали экспериментальные Jumo 206 и Jumo 208, а Jumo 207 был произведен в некотором количестве для высотных разведывательных самолетов Junkers Ju 86P и R, а также для шестимоторного летающего лодки Blohm & Voss BV 222 Wiking с размахом крыльев 46 метров. Все три варианта отличались по рабочему объему, диаметру цилиндра и системе наддува. Всего было произведено более 900 таких двигателей в 1930-х годах и на протяжении большей части Второй мировой войны.
The Jumo 205 aircraft engine was the most famous of a series of aircraft diesel engines produced by Junkers. The Jumo 204 first entered service in 1932. Later engines of this type comprised the experimental Jumo 206 and Jumo 208, with the Jumo 207 produced in some quantity for the Junkers Ju 86P and R high altitude reconnaissance aircraft, and the 46 meter wingspan, six engined Blohm & Voss BV 222 Wiking flying boat. All three of these variants differed in stroke and bore and supercharging arrangements. In all, more than 900 of these engines were produced, in the 1930s and through most of World War II.
Проектирование и разработка
Все эти двигатели использовали двухтактный цикл с 12 поршнями, разделяющими шесть цилиндров, с расположением "корона поршня к короне поршня" в оппозитной конфигурации. Эта необычная конструкция требовала два коленчатых вала: один в нижней части цилиндрового блока, а другой – в верхней, соединенных зубчатой передачей. В течение рабочего цикла поршни двигались навстречу друг другу. Впускные окна располагались на одном конце цилиндра, а выпускные – на другом. Это позволяло одному поршню эффективно управлять впуском, а другому – выпуском. Использовались два кулачковых насоса впрыска на цилиндр, каждый из которых подавал топливо в два форсунки, что давало в общей сложности четыре форсунки на цилиндр. Как и в большинстве двухтактных конструкций, двигатели Jumo не имели клапанов, вместо этого в цилиндровых вкладышах изготавливались фиксированные впускные и выпускные окна, которые открывались, когда поршни достигали определенной точки хода. Обычно такие конструкции имеют низкую объемную эффективность, поскольку оба окна открываются и закрываются одновременно и, как правило, расположены друг напротив друга в цилиндре. Это приводит к неполному вытеснению отработавших газов, из-за чего безклапанные двухтактные двигатели обычно дымят и неэффективны. Jumo в значительной степени решила эту проблему благодаря продуманной компоновке окон. Впускное окно располагалось под "нижним" поршнем, а выпускное – под "верхним". Нижний коленчатый вал был сдвинут на 11° относительно верхнего, что означало, что выпускные окна открывались и, что более важно, закрывались первыми, обеспечивая эффективное вытеснение отработавших газов. Эта система позволяла двухтактным двигателям Jumo работать столь же чисто и почти так же эффективно, как четырехтактные двигатели с клапанами, но при значительно меньшей сложности. Однако в этой системе есть и недостатки. Во-первых, поскольку поршни не закрывали окна одновременно, а один двигался "впереди" другого, двигатель работал не так плавно, как классический оппозитный двигатель. Кроме того, мощность от двух противоположных коленчатых валов необходимо было объединять, что увеличивало вес и сложность конструкции – проблема, общая с двигателями типа H. В Jumo эти проблемы были частично решены за счет того, что мощность снималась в основном с "верхнего" вала, немного смещенного вверх на передней части двигателя. Все вспомогательные устройства, такие как топливные насосы, форсунки и нагнетатель, приводились в действие от нижнего вала, что означало, что более половины его мощности уже было использовано. Оставшаяся мощность передавалась на верхний вал, который вращал воздушный винт двигателя. Теоретически, плоская компоновка двигателя могла позволить установить его внутри толстых крыльев больших самолетов, таких как авиалайнеры и бомбардировщики. Однако детали системы отвода масла показали, что это было невозможно, и двигатель должен был устанавливаться "вертикально", как это и делалось во всех конструкциях, использующих его. Поскольку температура выхлопных газов дизельных двигателей Jumo была значительно ниже, чем у сопоставимых карбюраторных двигателей, было проще установить турбокомпрессор для полетов на больших высотах. Это было реализовано в Jumo 207, который использовал энергию выхлопных газов для увеличения мощности на больших высотах. Турбокомпрессор был объединен с механическим нагнетателем, при этом турбокомпрессор создавал первую ступень наддува, а механический нагнетатель – вторую. При низкой нагрузке и запуске турбокомпрессор не участвовал в наддуве двигателя, но механический нагнетатель обеспечивал достаточно воздуха для его работы. Однако при высокой нагрузке турбокомпрессор получал достаточное количество выхлопных газов, что позволяло ему самостоятельно обеспечивать необходимый наддув без использования неэффективного механического нагнетателя. Добавление турбокомпрессора к механическому нагнетателю увеличило мощность двигателя, не значительно увеличив удельный расход топлива.
These engines all used a two stroke cycle with 12 pistons sharing six cylinders, piston crown to piston crown in an opposed configuration. This unusual configuration required two crankshafts, one at the bottom of the cylinder block and the other at the top, geared together. The pistons moved towards each other during the operating cycle. The intake ports were located at one end of the cylinder, whereas the exhaust ports were at the other end. This made one piston effectively control the intake, and the other control the exhaust. Two cam operated injection pumps per cylinder were used, each feeding two nozzles, for four nozzles per cylinder in all. As is typical of two stroke designs, the Jumos used no valves, but rather fixed intake and exhaust port apertures cut into the cylinder liners during their manufacture, which were uncovered when the pistons reached a certain point in their strokes. Normally, such designs have poor volumetric efficiency because both ports open and close at the same time and are generally located across from each other in the cylinder. This leads to poor scavenging of the burnt charge, which is why valveless two strokes generally produce smoke and are inefficient. The Jumo solved this problem to a very large degree through clever arrangement of the ports. The intake port was located under the "lower" piston, while the exhaust port was under the "upper". The lower crankshaft ran 11° behind the upper, meaning that the exhaust ports opened, and even more importantly, closed first, allowing proper scavenging. This system made the two stroke Jumos run as cleanly and almost as efficiently as four stroke engines using valves, but with considerably less complexity. Some downside exists to this system, as well. For one, since matching pistons were not closing at quite the same time, but one ran "ahead" of the other, the engine could not run as smoothly as a true opposed style engine. In addition, the power from the two opposing crankshafts had to be geared together, adding weight and complexity, a problem the design shared with H block engines. In the Jumo, these problems were avoided to some degree by taking power primarily from the "upper" shaft, somewhat offset upwards on the engine's front end. All of the accessories, such as fuel pumps, injectors and the scavenging compressor, were run from the lower shaft, meaning over half of its power was already used up. What was left over was then geared to the upper shaft, which ran the engine's propeller. In theory, the flat layout of the engine could have allowed it to be installed inside the thick wings of larger aircraft, such as airliners and bombers. Details of the oil scavenging system suggest this was not possible and the engine had to be run "vertically", as it was on all designs using it. Because the temperature of the exhaust gases of the Jumo diesel engines was substantially lower than that of comparable carburettor engines, it was easier to add a turbocharger for higher altitudes. This was explored in the Jumo 207 which used the energy of the exhaust gases to increase the power at high altitudes. The turbocharger was combined with a mechanically driven blower, so that the turbocharger creates the first stage of compression, and the mechanical blower the second stage. At low load and startup, the turbocharger does not contribute to supercharging the engine, but the mechanical blower provides enough air for the engine to operate. At high load, however, the turbocharger receives sufficient quantities of exhaust gas, which means that it alone can provide enough supercharging without the need of the inefficient mechanical blower. The addition of the turbocharger to the mechanical blower made the engine more powerful without significantly increasing its specific fuel consumption.