Введение

Моносупапе (фр. Monosoupape – "один клапан") – конструкция роторного двигателя, впервые представленная в 1913 году компанией Gnome Engine Company (переименованной в Gnome et Rhône в 1915 году). В ней использовалась оригинальная схема внутренних каналов продувки и один выпускной клапан, приводимый в действие толкателем, что позволило заменить множество движущихся частей, характерных для более традиционных роторных двигателей, и сделало двигатели Monosoupape одними из самых надежных того времени. Британский авиаконструктор Томас Сопвиш назвал Monosoupape «одним из величайших единичных достижений в авиации». Двигатели Monosoupape производились по лицензии в больших количествах в Великобритании, России, Италии и США. Было выпущено две различные девятицилиндровые версии – 9B 2 и 9N, отличавшиеся рабочим объемом, при этом более крупная версия 9N имела почти цилиндрическую форму картера, а также систему двойного зажигания для повышения безопасности полета. По лицензии в Великобритании было произведено 2188 единиц, а модернизированная версия позднее строилась в России и Советском Союзе, два экземпляра которой использовались на советском однороторном вертолете ЦАГИ 1ЕА в 1931–1932 годах.

Предыстория

В отличие от других ротационных двигателей, ранние двигатели Gnome, такие как Gnome Omega, Lambda и Delta, использовали уникальную конструкцию клапанного механизма, чтобы избежать использования штанг, работавших на впускной фазе цикла сгорания в более традиционных двигателях. Вместо этого, один выпускной клапан в головке цилиндра приводился в действие штангой, которая открывала клапан при падении давления в конце рабочего хода. Впускной клапан, работающий под давлением и сбалансированный противовесом для компенсации центробежных сил, был расположен в центре поршня, где он открывался, позволяя топливовоздушной смеси поступать из центрального картера двигателя. Несмотря на оригинальность конструкции, система имела несколько недостатков: для обслуживания и регулировки фаз газораспределения требовалось снимать головки цилиндров. Экономичность топлива была ниже, чем у других ротационных двигателей, поскольку впускные клапаны не могли открываться и закрываться в оптимальные моменты времени.

Дизайн

В 1913 году Луи Сегюен и его брат Лоран (инженеры, основавшие Société Des Moteurs Gnome [компания Gnome motor] в 1905 году) представили новую серию Monosoupape, которая отказалась от впускного клапана, заменив его портовым продувочным каналом, аналогичным тому, что используется в двухтактных двигателях. Начиная с рабочего хода, четырехтактный двигатель работал нормально до тех пор, пока поршень не приближался к нижней мертвой точке (НМТ), когда выхлопной клапан открывался "рано". Это позволяло еще горячим отработавшим газам выходить из двигателя, пока поршень все еще двигался вниз, снижая давление в выхлопной системе и предотвращая попадание отработавших газов в картер. После небольшого дополнительного хода поршень открывал 36 небольших каналов вокруг основания цилиндра, ведущих в картер, содержащий дополнительную топливно-воздушную смесь (заряд). В этот момент продувка не происходила, так как не было разницы давлений; цилиндр оставался открытым для атмосферы и, следовательно, находился под атмосферным давлением. Выхлопные газы выбрасывались непосредственно в набегающий поток воздуха, поскольку установить практичный выхлопной коллектор на вращающийся картер и цилиндры было невозможно. Отсутствие выхлопного коллектора также снижало вес и предотвращало возникновение избыточных гироскопических сил в полете. Во время выхлопного хода происходила продувка, поскольку воздух, обтекающий цилиндр снаружи, снижал давление внутри из-за непосредственного воздействия выхлопного порта на набегающий поток. Поршень продолжал свой выхлопный ход до достижения верхней мертвой точки (ВМТ), но клапан оставался открытым. Поршень начинал движение вниз по впускному ходу с открытым клапаном, втягивая в цилиндр свежий воздух. Он оставался открытым до тех пор, пока не проходил две трети пути вниз, после чего клапан закрывался, а оставшаяся часть впускного хода значительно снижала давление воздуха. Когда поршень снова открывал продувочные каналы, низкое давление в цилиндре втягивало остаток заряда. Заряд представлял собой избыточно богатую смесь воздуха, поступающего через полый коленчатый вал, и топлива, которое непрерывно впрыскивалось форсункой на конце топливной магистрали, попадая в картер через полый коленчатый вал. Форсунка располагалась вблизи и была направлена на внутреннюю поверхность основания цилиндра, где находились продувочные каналы. Форсунка оставалась неподвижной относительно коленчатого вала, а цилиндры поочередно вращались в рабочее положение. Ход сжатия был обычным. Свеча зажигания была установлена горизонтально в задней части цилиндра, сверху, но не имела высоковольтного провода. Зубчатое кольцо, установленное на двигателе, приводило в действие стационарный магнето, установленный на перегородке, выходной терминал высокого напряжения которого находился в непосредственной близости от контактов свечи зажигания по мере их прохождения. Эта конструкция устранила необходимость в распределителе и высоковольтных проводах, используемых в обычных системах зажигания с механическим управлением. Это зубчатое кольцо также приводило в действие масляный насос, который подавал масло ко всем подшипникам, через полые штанги к коромыслам и клапанам, а также приводил в действие воздушный насос, который создавал давление в топливном баке. Поздние двигатели Gnome 9N имели двойную систему зажигания для повышения безопасности, с двумя свечами зажигания на цилиндр, которые были электрически соединены проводами, проложенными на картере, и центральной парой магнето, приводимых во вращение вращающимся картером двигателя.

Контроль

Поэтому в моносупапах использовался единый регулятор подачи топлива для ограниченного регулирования скорости. В ранних образцах скорость двигателя можно было регулировать, изменяя время и степень открытия выпускных клапанов с помощью рычагов, воздействующих на ролики клапанного толкателя, но позже от этой системы отказались из-за прогорания клапанов. [2] Вместо этого применялся выключатель кратковременного отключения зажигания при нажатии. Его использовали умеренно, чтобы избежать закопчивания свечей зажигания, поскольку безопасное использование было возможно только при одновременном отключении подачи топлива. Поздняя 160-сильная модификация 9N также отличалась необычным принципом работы благодаря встроенной системе двойного зажигания, позволявшей достигать мощности в половину, четверть и одну восьмую от номинальной. Это достигалось с помощью переключателя "купе" и специального пятипозиционного поворотного переключателя, который выбирал один из трех альтернативных уровней мощности при нажатии переключателя "купе", отключая напряжение зажигания на всех девяти цилиндрах через равные промежутки времени для получения нескольких уровней снижения мощности. Летный экземпляр реплики истребителя Fokker D. VIII, оснащенный уникальным двигателем Gnome 9N, часто демонстрирует возможности двигателя Gnome 9N по работе на четырех уровнях мощности как на земле, так и в полете.

Смазка

Система смазки, как и у всех роторных двигателей, была системой с полным расходом, в которой касторовое масло подавалось непосредственно в топливно-воздушную смесь. Касторовое масло использовалось, поскольку оно плохо растворялось в топливе и обеспечивало лучшие смазывающие свойства, чем другие доступные масла. Более двух галлонов касторового масла распылялось в воздух каждый час работы двигателя. Это объясняет, почему большинство роторных двигателей оснащались кожухами, причем нижняя четверть кожуха отсутствовала, чтобы отводить струю касторового масла от пилота. Несгоревшее касторовое масло, попадая в организм пилота, оказывало слабительное действие. Поскольку весь двигатель вращался, требовалась его точная балансировка, что подразумевало прецизионную обработку всех деталей. В результате, Monosoupapes были чрезвычайно дороги в производстве – модели стоили 4000 долларов в 1916 году (примерно 89 000 долларов в 2017 году). Однако они потребляли меньше смазочного масла и имели немного меньший вес, чем более ранние двухклапанные двигатели.

Приложения

Список от Ламсдена.

Выставленные двигатели

Девятицилиндровый двигатель Monosoupape выставлен на всеобщее обозрение в Музее Королевских ВВС Лондона. Девятицилиндровый двигатель Monosoupape выставлен на всеобщее обозрение в аэрокосмическом музее Калифорнии. Семицилиндровый двигатель Monosoupape выставлен в Solent Sky. Один двигатель Monosoupape, построенный Питером Хукером в Англии, выставлен в Национальном музее авиации Морон, Аргентина. Он используется во время выставок для демонстрации систем вращающихся двигателей, поскольку показывает его рабочие внутренние части. Восстановленный B 2 Monosoupape выставлен в Нью-Ингландском музее авиации, Международный аэропорт Брэдли, Виндзор-Локс, КТ, США. Компания TAVAS в Австралии располагает двумя такими двигателями. http://www.tavas.com.au/rotary_engine.php Оба предназначены для экспонирования на летающих самолетах. Восстановленный Monosoupape 9 Типа N выставлен в Музее Рейнольдса Альберты. Оригинальный (нереставрированный) рабочий девятицилиндровый двигатель Monosoupape выставлен на всеобщее обозрение в Южно-Австралийском авиационном музее в Южной Австралии. Видео его работы можно найти по адресу https://www.saam.org.au/engines.html