Lotniczy spalinowy silnik tłokowy: historia, budowa i zasada działania

Początki lotnictwa to okres, w którym pionierzy podejmowali liczne, często komiczne 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 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 czterotłokową jednstkę 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
Wśród najważniejszych modeli tego okresu wyróżniały się jednostki takie jak Le Rhône 9C, który był popularnym modelem gwiazdowym o mocy 110 KM. Był on stosowany w wielu francuskich myśliwcach i samolotach rozpoznawczych. Innym istotnym przykładem był Daimler D.II, który zyskał uznanie dzięki swojej mocy wynoszącej 160 KM oraz niezawodności.

W Niemczech rozwijano także Jumo 210, które stały się podstawą dla wielu maszyn, takich jak myśliwce Messerschmitt. Charakteryzowały się one nowoczesnymi rozwiązaniami technicznymi, takimi jak automatyczna kontrola ciśnienia doładowania oraz wtrysk paliwa, co znacząco poprawiło ich wydajność.

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 szczyt. 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 i 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 brytyjskich maszynach, takich jak Avro Shackleton.

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 do 1 600 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 190. Miał on moc dochodzącą do 1 750 KM i był jednym z najpotężniejszych jednostek napędowych stosowanych przez Luftwaffe.

Silniki przeciwsobne i bokser
Przykładem tego typu konstrukcji jest Continental A-40, który był popularny wśród lekkich samolotów treningowych i sportowych. 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. Przykładem może być Junkers Jumo 213, który jako pierwszy zastosował automatyczną kontrolę ciśnienia doładowania oraz system wtrysku paliwa. 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 są powietrzem, co eliminuje potrzebę skomplikowanego układu chłodzenia cieczą. Dzięki temu ich masa jest mniejsza, a konstrukcja prostsza.

Stosuje się nieparzystą liczbę cylindrów, co pozwala na równomierne rozłożenie zapłonów 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 wersją Lycoming IO-360, która również mają 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 tradycyjne „benzyniaki”, 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 diesla jest zazwyczaj tańsze od AVGAS.
• Wyższa efektywność paliwowa: charakteryzują się lepszą sprawnością, co przekłada się na mniejsze zużycie paliwa.
• Mniejsze emisje: nowoczesne Diesle 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. Thielert Centurion 2.0: tłokowy czterocylindrowy o mocy 135 KM, stosowany w wielu lekkich samolotach.
2. SMA SR305-230:  wysokoprężny o mocy 230 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 pojawiły się na początku XX wieku, a jednym z nich był W3, który napędzał samolot biorący udział w przelocie przez Kanał La Manche. Mimo interesujących właściwości, „W” nie zdobył popularności i był stosowany głównie w prototypowych projektach.

To nietypowa konstrukcja, która powstała poprzez połączenie dwóch jednostek widlastych (V) z wspólnym wałem. Dzięki rozmieszczeniu cylindrów w kształt 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, dlatego Brytyjczycy wymienili model Rolls-Royce Vulture na bardziej niezawodne widlaste V12 Rolls-Royce Merlin.