2.3a Podstawy silników lotniczych: silnik tłokowy

• Silnik tłokowy
  • Historia rozwoju
  • Zasady działania
  • Silniki lotnicze w układach H, W i X

Silnik jest kluczowym elementem napędowym każdego statku powietrznego. Od momentu, gdy bracia Wright wznieśli się w powietrze na maszynie napędzanej prostym silnikiem tłokowym, technologia napędowa przeszła znaczącą ewolucję, prowadząc do powstania zaawansowanych turbin gazowych.

Początki lotnictwa to okres, w którym pionierzy podejmowali liczne próby oderwania się od ziemi. W XIX wieku inżynierowie i wynalazcy zmagali się z wyzwaniem stworzenia konstrukcji cięższej od powietrza, która mogłaby wznieść się w powietrze i pokonać jakąkolwiek odległość. Mimo ogromnego entuzjazmu, osiągnięcie tego celu okazało się niezwykle trudne.

Jednym z pierwszych wynalazców był John Stringfellow, który w 1848 roku skonstruował latający model z napędem parowym. Jego prace zapoczątkowały nową erę w modelarstwie lotniczym, jednak nie przyniosły jeszcze oczekiwanych rezultatów w kontekście lotów załogowych. Z kolei George Cayley, uznawany za ojca nowoczesnego lotnictwa, skupił się na budowie szybowca. W 1853 roku jego maszyna, znana jako „governable parachute”, wykonała pierwszy udany lot z pasażerem, który przeleciał około 275 m (900 stóp) nad doliną Brompton. To wydarzenie jest często uznawane za pierwszy lot człowieka w maszynie cięższej od powietrza.

Inny pionier, Jean-Marie Le Bris, poszedł o krok dalej, łącząc szybowiec z wyciągarką napędzaną koniem. Dzięki temu udało mu się wznieść swoją maszynę w powietrze, co czyni go jednym z pierwszych ludzi, którzy wykorzystali mechaniczne urządzenie do latania. Warto również wspomnieć o Félixie du Temple de la Croix, który w 1874 roku połączył koncepcję szybowca z ideą „parowozu” i uzyskał niewielką wysokość podczas startu z rampy.

Pod koniec XIX wieku Clément Ader próbował swoich sił w budowie napędzanych maszyn latających, jednak brak dokumentacji sprawia, że jego osiągnięcia pozostają niezweryfikowane. Prawdziwy przełom nastąpił wraz z pojawieniem się Otto Lilienthala, który skoncentrował się na konstrukcji aparatu latającego i technikach sterowania lotem. Jego badania i doświadczenia przyczyniły się do rozwoju szybowców i zainspirowały przyszłych pionierów lotnictwa.

W 1903 roku bracia Wright dokonali przełomu, budując maszynę zdolną do kontrolowanego lotu – Flyer. Była to jedna z pierwszych konstrukcji napędzanych silnikiem tłokowym. Wrightowie doszli do wniosku, że samolot napędzany parą będzie zbyt ciężki i zdecydowali się na czterocylindrową jednostkę benzynową, co okazało się kluczowym krokiem w historii lotnictwa.

Na początku I wojny światowej większość samolotów była napędzana silnikami tłokowymi chłodzonymi powietrzem, które były proste, lekkie i niezawodne. Jednakże z czasem, w odpowiedzi na rosnące wymagania dotyczące prędkości i manewrowości, projektanci zaczęli eksperymentować z modelami chłodzonymi cieczą. Te drugie, mimo większej masy i złożoności, oferowały lepsze osiągi i mniejszy opór aerodynamiczny.

Kluczowe konstrukcje
Istotnym przykładem był Daimler-Mercedes D.II, który zyskał uznanie dzięki swojej mocy wynoszącej 160 KM oraz niezawodności.

Zmiany w zastosowaniu
Podczas I wojny światowej samoloty zaczęły odgrywać coraz większą rolę na polu bitwy. Początkowo wykorzystywane głównie do rozpoznania, z czasem stały się ważnym elementem działań ofensywnych i defensywnych.

W czasie II wojny światowej rozwój i zastosowanie napędów lotniczych osiągnęły niespotykaną dotąd skalę. W tym okresie powstały liczne konstrukcje, które stały się fundamentem dla wielu znanych samolotów bojowych.

Silniki gwiazdowe
Charakteryzują się cylindrami rozmieszczonymi w okręgu wokół wału korbowego i były jednymi z najczęściej stosowanych jednostek napędowych. Wśród nich wyróżniał się Pratt & Whitney R-2800 Double Wasp, który miał 18 cylindrów w układzie podwójnej gwiazdy o mocy wynoszącej około 2000 KM. Był on używany w wielu amerykańskich samolotach, takich jak F4U Corsair oraz P-47 Thunderbolt.

Innym znaczącym modelem był Bristol Centaurus, który miał 18 cylindrów i był stosowany w maszynach, takich jak Hawker Sea Fury i Blackburn Beverley.

W układzie rzędowym
One również odegrały istotną rolę w lotnictwie II wojny światowej. Najbardziej znanym z nich był Rolls-Royce Merlin, 12-cylindrowy w układzie V, który dostarczał moc rzędu 1600 KM. Merlin napędzał wiele znanych brytyjskich myśliwców, takich jak Supermarine Spitfire i Hawker Hurricane. Jego rozwój przyczynił się do znacznego wzrostu osiągów tych maszyn.

Kolejnym przykładem był Junkers Jumo 213, który był używany w niemieckich myśliwcach, takich jak Fw 190D. Miał on moc dochodzącą do 1750 KM i był jedną z najpotężniejszych jednostek napędowych stosowanych przez Luftwaffe.

Silniki w układzie przeciwsobnym (bokser)
Przykładem tego typu konstrukcji jest Continental A-65 / A-75 / O-170 , który był popularny wśród lekkich samolotówh treningowych i łącznikowych (m.in. Piper L-4 Cub, Aeronca L-3, Taylorcraft L-2). Charakteryzowały się niskim profilem oraz dobrą równowagą, co przekładało się na mniejsze drgania podczas pracy.

Innowacje technologiczne
W czasie wojny pojawiły się także innowacje technologiczne, takie jak wtrysk paliwa, który zwiększył efektywność maszyn. Dzięki tym rozwiązaniom możliwe było uzyskanie lepszych osiągów na dużych wysokościach.

W tym typie napędu lotniczego cylindry ustawione są w rzędzie, choć występują również w układzie widlastym (V).

Działa on na zasadzie czterosuwowego cyklu pracy, który obejmuje:

Jednostki napędowe mogą być wyposażone w różne systemy zasilania:

W tej konstrukcji cylindry są rozmieszczone promieniście wokół centralnego wału korbowego. Napędy tego typu zyskały szczególne uznanie w lotnictwie, zwłaszcza podczas II wojny światowej, dzięki swojej prostocie, niezawodności i dużej mocy.

Zazwyczaj są chłodzone powietrzem, co eliminuje potrzebę skomplikowanego układu chłodzenia cieczą. Dzięki temu ich masa jest mniejsza, a konstrukcja prostsza.

Stosuje się nieparzystą liczbę cylindrów, co zapewnia odpowiednią kolejność zapłonów (co drugi cylinder) dla równomiernej pracy i minimalizację drgań. Najczęściej spotykane są układy 5-, 7- lub 9-cylindrowe, a w bardziej zaawansowanych konstrukcjach można znaleźć podwójne lub poczwórne gwiazdy (chodzi o zwiększenie mocy).

W tym rozwiązaniu cylindry są umieszczone w taki sposób, że tłoki poruszają się w przeciwnych kierunkach, co pozwala na zminimalizowanie drgań i hałasu.

Budowa:

1. Układ cylindrów: składa się z pary cylindrów, które są umieszczone po obu stronach wspólnego wału korbowego. Zazwyczaj boksery mają parzystą liczbę cylindrów, co pozwala na równoważenie sił działających na tłoki.
2. Wał korbowy: jest centralnym elementem, do którego są przymocowane korbowody łączące tłoki z wałem. Ruch tłoków w przeciwnych kierunkach powoduje, że siły bezwładności równoważą się nawzajem.
3. Cylindry: każdy cylinder ma swoją komorę spalania, gdzie zachodzi proces spalania mieszanki paliwowo-powietrznej. W zależności od konstrukcji, cylindry mogą być chłodzone powietrzem lub cieczą.
4. Układ zapłonowy: wykorzystuje świece zapłonowe, które inicjują proces spalania mieszanki w cylindrach.

Zasada działania

Jednostka napędowa tego typu działa na zasadzie cyklu czterosuwowego, który został opisany wyżej w artykule. Dzięki przeciwnemu ruchowi tłoków działające siły się równoważą, co prowadzi do mniejszych drgań i hałasu podczas pracy.

Opisywane rozwiązanie znalazło zastosowanie w przypadku popularnej Cessny 172.  Wczesne modele Cessny 172 były wyposażone w modele Continental O-300, które miały układ cylindrów w konfiguracji przeciwsobnej. Późniejsze samoloty, takie jak Cessna 172R i 172S są zasilane rodziną Lycoming IO-360, która również ma układ przeciwsobny.

Napędy tego typu zyskują w lotnictwie na popularności, szczególnie w kontekście rosnących cen paliwa lotniczego oraz dążenia do zwiększenia efektywności ekonomicznej operacji lotniczych.

Zasada działania 
Działają na zasadzie cyklu czterosuwowego, podobnie jak silniki benzynowe (z zapłonem iskrowym), jednak różnią się one sposobem zapłonu. Tutaj mieszanka powietrza i paliwa jest sprężana do bardzo wysokiego ciśnienia, co powoduje podgrzanie powietrza do temperatury zapłonu. Następnie paliwo jest wtryskiwane do komory spalania, gdzie zapala się wskutek wysokiej temperatury powietrza.

Wpływ cen paliwa na popularność Diesli

Wzrost cen paliwa lotniczego (AVGAS) oraz jego ograniczona dostępność w niektórych regionach sprawiają, że piloci i operatorzy samolotów poszukują alternatywnych źródeł napędu. Mechanizmy wysokoprężne oferują kilka korzyści:

• Niższe koszty eksploatacji: paliwo Jet A-1 jest zazwyczaj tańsze i bardziej dostępne niż AVGAS. Lotnicze silniki wysokoprężne używają Jet A-1 lub w GA paliwa samochodowego (Diesel/ULSD).
• Wyższa efektywność paliwowa: charakteryzują się lepszą sprawnością, co przekłada się na mniejsze zużycie paliwa.
• Mniejsze emisje: nowoczesne silniki wysokoprężne emitują mniej szkodliwych substancji niż tradycyjne benzynowe.

Kształt 

Mogą przyjmować różne formy konstrukcyjne. W przypadku niektórych modeli mogą mieć układ bokserowy, co pozwala na obniżenie środka ciężkości i zmniejszenie drgań. Jednak nie wszystkie są budowane w tej konfiguracji; wiele z nich ma tradycyjny układ rzędowy lub gwiazdowy.

Przykłady znanych modeli

1. Technify Motors Centurion 2.0: tłokowy czterocylindrowy o mocy 135 KM, stosowany w wielu lekkich samolotach.
2. SMA SR305-230:  wysokoprężny o mocy 227 KM, przeznaczony do samolotów general aviation.
3. Continental CD-155: napęd tłokowy o mocy 155 KM, wykorzystywany w różnych modelach samolotów lekkich.
4. Austro Engine AE300: również tłokowy o mocy 170 KM, stosowany w samolotach takich jak Diamond DA42.

Wśród nowoczesnych układów konstrukcyjnych wyróżniają się wersje H, W oraz X, a każdy z nich ma swoje unikalne cechy, zalety i wady.

Charakteryzuje się cylindrami ułożonymi w kształcie litery „H”. W tym układzie dwa rzędy cylindrów są umieszczone naprzeciwko siebie, co pozwala na uzyskanie kompaktowej konstrukcji. Jednostki te zazwyczaj mają od 6 do 12 cylindrów, co umożliwia osiągnięcie dużej mocy przy jednoczesnym zmniejszeniu masy.

Napędy w układzie H były stosowane głównie w samolotach wojskowych i eksperymentalnych. Niemcy oraz Brytyjczycy eksperymentowali z tym rozwiązaniem, jednak nie zdobyło ono szerokiego uznania. Brytyjczycy zdecydowali się nawet na masową produkcję, ale ich skomplikowana konstrukcja okazała się problematyczna w warunkach polowych.

To bardziej złożona konstrukcja, w której cylindry są rozmieszczone w trzech rzędach pod różnymi kątami. Mogą mieć różną liczbę cylindrów (zazwyczaj od 12 do 18), a ich geometria pozwala na osiągnięcie interesujących właściwości aerodynamicznych.

Pierwsze jednostki napędowe w układzie W (wachlarzowym/półradialnym) pojawiły się na początku XX wieku. Jednym z nich był 3-cylindrowy silnik Anzani W3 (25 KM), który napędzał samolot Blériot XI podczas pierwszego przelotu nad Kanałem La Manche 25 lipca 1909 r. Mimo interesujących właściwości (m.in. mniejsze ryzyko zabrudzenia świec olejem), układ „W” nie zdobył większej popularności i był stosowany głównie we wczesnych prototypowych oraz niszowych konstrukcjach lotniczych.

To nietypowa konstrukcja, która powstała poprzez połączenie dwóch jednostek widlastych pod kątem 90°, współdzielących wał korbowy. Dzięki rozmieszczeniu cylindrów w kształcie litery „X”, możliwe stało się uzyskanie dużej mocy przy zachowaniu kompaktowych wymiarów.

Opisywane rozwiązanie zostało wykorzystane w bombowcu Avro Manchester, który okazał się jednak zawodną konstrukcją głównie z powodu problemów z silnikami Rolls-Royce Vulture. W konsekwencji Brytyjczycy zaniechali dalszego rozwoju tego samolotu i zastąpili go całkowicie nowym czterosilnikowym bombowcem Avro Lancaster, napędzanym czterema znacznie bardziej niezawodnymi silnikami Rolls-Royce Merlin.