Обзор двухтактных дизелей, часть 2
В первой части статьи мы говорили о принципах двухтактных двигателей и разобрали схему двухтактного двигателя со встречно-движущимися поршнями на примере советских и британских танковых дизелей. Теперь мы рассмотрим двигатели с клапанно-щелевой продувкой и петлевой продувкой Шнюрле. Последняя тема особенно интересна, поскольку о развитии двухтактных дизелей Klöckner-Humboldt-Deutz времён Второй мировой войны мало кто знает. После поражения Германии многие наработки были утеряны, опытные образцы по большей части пропали, а сохранившиеся описания осели в архивах. Многие сведения из этой статьи впервые публикуются на русском языке. А публиковать есть что: немцы не только развивали вторую линейку двухтактных авиадизелей Dz 710 параллельно с двигателями Junkers, но и первыми в мире спроектировали специальный танковый двухтактный дизель.
Второй путь: двухтактные дизели с клапанами
У двухтактных двигателей со встречно-движущимися поршнями есть ряд достоинств. Они позволяют отказаться от клапанов и в то же время эффективно продувать цилиндры, а за счёт того, что камера сгорания образуется между двумя поршнями, уменьшается теплоотдача в воду (поскольку охлаждаемая водой поверхность сводится к минимуму). Однако из-за длинных цилиндров эти двигатели получаются или низкими и широкими, или узкими и высокими, что не всегда удобно. А когда инженеры пытались соединить несколько рядов цилиндров, на свет появлялись монструозные конструкции вроде Fairbanks-Morse Diamond, Napier Deltic или Jumo 223.
Двухтактный дизель Napier Deltic с тремя рядами по 6 цилиндров и 12 поршней каждый
Модель Napier Deltic C18 (E185) на скромные 5500 л.с.
Но что если нам нужен более традиционный и компактный дизель в габаритах обычного рядного или V-образного двигателя? В этом случае можно перейти к классической схеме с одним поршнем в цилиндре и заменить выходные окна на клапаны по типу четырёхтактных моторов. Этот способ продувки называется клапанно-щелевым: свежий воздух поступает через впускные окна (щели или множество круглых окошек) в нижней части цилиндра, а отработавшие газы удаляются через выпускные клапаны. Двигатели с клапанно-щелевой продувкой более гибкие в компоновке, они могут быть рядными или V-образными, однако за это приходится платить введением клапанов и распределительных валов.
Иллюстрация клапанно-щелевой продувки Detroit Diesel 71
Значительное развитие двухтактные дизели водяного охлаждения с клапанно-щелевой продувкой получили в США. В 30-х годах корпорация General Motors задумала линейку универсальных двухтактных дизелей, более лёгких, чем имеющиеся большие двигатели для генераторов и поездов. Для производства этих дизелей в 1938 году было организовано подразделение Detroit Diesel.
Дизели этой линейки известны как Detroit Diesel Series 71, поскольку объём цилиндра составлял 1,2 литра или 71 кубический дюйм. Первым в 1938 году появился рядный 6-цилиндровый дизель 6-71, за ним последовали рядные моторы с 2, 3 и 4 цилиндрами (под названиями 2-71, 3-71 и 4-71 соответственно), а самым маленьким в семействе был одноцилиндровый мотор 1-71. В 50-х годах появились и V-образные модели, например, 12-цилиндровый 12V-71. Двигатели этого семейства устанавливались на грузовики, автобусы и суда, а также на бронетехнику включая танки.
Характерная черта линейки 71 - клапанно-щелевая продувка. Роторный нагнетатель типа Рутс подаёт воздух в особую полость вокруг цилиндра с множеством круглых окон. Поршень уходит вниз и открывает множество круглых окошек, создающих воздушный вихрь. Тем временем отработавшие газы выдуваются через клапаны, а цилиндр продувается насквозь. В зависимости от требуемой мощности производились версии с двумя или четырьмя клапанами на цилиндр. Кроме того, в рядных моторах нагнетатель Рутс, стартер, выхлопная система и другое оборудование могут быть смонтированы на любой стороне двигателя для удобства компоновки. В целом дизель хорошо сбалансирован, распределительный вал не нарушает симметрию, поскольку с другой стороны имеется балансировочный вал. Для охлаждения дно поршня интенсивно омывается маслом.
GMC 6046 - спарка двух 6-71. Возможность установки нагнетателя и воздушных фильтров с любой стороны оказалась очень кстати.
Чертёж GMC 6046
После вступления США во Вторую мировую войну выпуск дизелей 71-ой линейки был доведён до 6 тысяч ежемесячно. Вариант двигателя 6-71 под индексом General Motors 6004 ставился на танки Valentine, а General Motors 6046, спарка из двух 6-71, применялся на танках M3A3 и M4A2, а также на самоходных орудиях M10 и M36B2. Ещё шире дизели серии 71 использовались на флоте.
В СССР не только применяли американские танки с двухтактными дизелями, но и строили гусеничные тягачи Я-12 с двигателями 4-71. После войны было освоено производство двухтактных дизелей ЯАЗ-204 и ЯАЗ-206 - фактически 4-71 и 6-71 с небольшими изменениями. Качество советских дизелей было ниже американских, да и культура обслуживания оставляла желать лучшего, поэтому эти двигатели имели посредственную репутацию, дескать, что взять с якобы примитивных устаревших и неудачных двухтактников. Основные проблемы, насколько можно судить по многочисленным высказываниям, были с уходом дизеля в разнос, а также с непредсказуемым запуском, когда коленвал начинал вращаться в противоположном направлении. В дальнейшем мы ещё упомянем возможность двухтактных дизелей работать с вращением коленвала в обе стороны. Что до ухода в разнос, когда дизель неконтролируемо повышает свои обороты и не останавливается даже после перекрытия подачи топлива, то на этот случай была предусмотрена заслонка, перекрывающая доступ воздуха к нагнетателю. Само собой, если дизель начинает пожирать масло вместо солярки, он продолжит работать даже при перекрытой подаче топлива, поэтому необходимо прекратить подачу воздуха, без которого горение невозможно.
Схема подачи воздуха в ярославских двухтактных дизелях. Обратите внимание на заслонку для глушения двигателя и упрощённую гильзу цилиндра с одним рядом круглых окошек.
На своё время дизели серии 71 были довольно продвинутыми конструкциями с высокими удельными показателями, поэтому они требовали соответствующего качества изготовления и обслуживания. Например, Ярославский завод не смог освоить производство долговечных тонкостенных гильз с 64 отверстиями диаметром 8 мм в два ряда и был вынужден перейти к гильзам с одним рядом из 17 отверстий диаметром 16 мм. Так что за фразами вроде «заменили допотопный двухтактник на нормальный четырёхтактный дизель» скрывается банальное «неосилили». Американцы же успешно развивали это направление до середины 1990-х годов, когда выпуск коммерческих двухтактных дизелей завершился из-за несоответствия новым экологическим нормам. Однако дизели General Motors всё ещё выпускаются для военных. Например, на бронетранспортёре M113 стоит двухтактный V-образный дизель 6V53.
Наш разговор о Detroit Diesel будет неполным без упоминания его волшебного звука работы. Так как в двухтактном дизеле каждый оборот коленвала рабочий, то в сравнении с четырёхтактными моторами возникает ощущение, будто он работает на очень высоких оборотах. Не зря детройтские двухтактники прозвали Screaming Jimmy, то бишь кричащим Джимми. Отмотайте видео на 5:30 и убедитесь сами:
Наконец, хочется остановить недоразумение, связанное с обозначением нагнетателя типа Рутс. Как его у нас его только не записывают: РУТ, Рут, типа Рута и так далее. Между тем, всё просто. Нагнетатель этого типа был запатентован в Америке братьями Рутс (Roots) в 1866 году. Изначально братья Рутс наладили производство нагнетателей для вентиляции помещений, а позже их идея была применена и на двигателях внутреннего сгорания. Поэтому данный нагнетатель правильно обозначается как Roots blower - нагнетатель Рутс.
Третий путь: петлевая продувка
В описанных выше двигателях разными способами реализована самая эффективная прямоточная продувка. В первом случае за это приходится платить неудобством в компоновке и наличием второго коленвала (или же дополнительных коромысел), а во втором использованием клапанной системы. Между тем, двухтактный цикл привлекал инженеров как раз возможностью построить более простой механически бесклапанный двигатель с компактными головками цилиндров.
Представим простейший двухтактный бесклапанный двигатель с одним поршнем в цилиндре. Окна впуска и выпуска находятся напротив друг друга внизу цилиндра. Проблема в том, что при такой схеме будет хорошо продуваться лишь нижняя часть цилиндра, но что делать с верхней? В некоторых двигателях вместо поперечной устраивали дефлекторную продувку. На поршне имелся выступ (дефлектор), по форме напоминающий козырёк. Благодаря нему воздух направлялся вверх для более качественной продувки, однако сложная форма камеры сгорания ухудшает рабочий процесс.
Схема двухтактного двигателя с дефлектором на поршне. При его отсутствии верхняя часть поршня продувалась бы очень плохо.
Проект двухтактного дизеля воздушного охлаждения фирмы Porsche для Volkswagen показывает другое решение проблемы: поршень имеет выпуклую форму
В 1925 году немецкий инженер Адольф Шнюрле (Adolf Schnürle) запатентовал более эффективный способ петлевой продувки, при котором возможно иметь поршень оптимальной формы (его приоритет оспаривается, но для нашего повествования это не принципиально). Идея очень проста: впускные и выпускные окна расположены рядом, но форма впускных окон подобрана таким образом, что воздух устремляется к стенке цилиндра под углом вверх, отражается от неё и образует петлю. Выпускные окна находились несколько выше впускных чтобы дать больше времени на удаление отработавших газов. Обратная петлевая продувка улучшила характеристики двухтактных двигателей практически без усложнения конструкции.
Схема обратной петлевой продувки Шнюрле. Два потока свежего воздуха отражаются от стенки и образуют петлю.
Адольф Шнюрле работал на фирме Klöckner-Humboldt-Deutz, где при его участии был создан целый ряд двухтактных дизелей для различного применения. В 1935 году KHD получила заказ от Рейхсминистерства авиации на создание двухтактных авиадизелей. Работу вела группа инженеров под руководством Шнюрле. В 1937 году был спроектирован звездообразный восьмицилиндровый двухтактный дизель Dz 700 воздушного охлаждения. Диаметр цилиндров составлял 80 мм, что при ходе 100 мм давало суммарный объём 4 литра. Мощность двигателя весом 55 кг составляла около 160 л.с. при 2700 об/мин. Всего было построено четыре опытных образца, которые прошли стендовые испытания. В 1938 году был подготовлен проект 6-цилиндрового дизеля воздушного охлаждения объёмом 3,8 литра (благодаря увеличению диаметра до 90 мм объём уменьшился незначительно) для тренировочных самолётов с упором в минимальное число деталей и максимальную надёжность. Он был построен в единственном экземпляре. Отметим, что оба этих двигателя назывались Dz 700, то есть данное обозначение относилось ко всей программе, а не к конкретному изделию.
Восьмицилидровый двухтактный авиадизель Dz 700. В отличие от других образцов, он каким-то образом смог уцелеть
Параллельно с Dz 700 фирма KHD проводила исследования одноцилиндровых макетов, которые послужили основой для проектов мощных двухтактных бензиновых и дизельных авиамоторов мощностью 3000-4000 л.с. С началом Второй мировой войны все работы по дизелям для малой авиации были остановлены и это направление вышло на первый план. Теперь KHD получила задание на создание мощных двигателей для тяжёлых бомбардировщиков. В ответ инженеры предложили проекты двухтактных бензиновых оппозитных авиамоторов водяного охлаждения Dz 710 с обратной петлевой продувкой и непосредственным впрыском топлива. Как и в случае с Dz 700, это название отсылает к семейству проектов. В октябре 1940 года был предложен 24-цилиндровый двигатель из двух 12-цилиндровых оппозитных блоков один над другим взлётной мощностью 4000 л.с. Он предназначался для бомбардировщиков и конкурировал с линейкой многорядных двухтактных авиадизелей Junkers. Его лётные испытания намечались на 1945 год.
Ранний проект 24-цилиндрового двухтактного авиамотора водяного охлаждения
В 1942 году с ростом требований инженеры KHD переключились на 16- и 32-цилиндровые авиамоторы большей мощности. Были проведены обширные испытания одно- и двухцилиндровых макетов и началось изготовление трёх 16-цилиндровых двигателей мощностью 2700 л.с. у земли. 32-цилиндровый H-образный двигатель назывался Dz 720, по другим данным Dz 710P2. Его мощность планировали довести до 6000 л.с.
16-цилиндровый двухтактный авиадизель Dz 710
Испытательный стенд на заводе в Оберурзеле, где велись работы по линейке Dz 710
В 1943 году для программы настают тяжёлые времена. Из-за ухудшающейся обстановки на фронтах разработки KHD потеряли приоритет, а контракт был урезан на 2/3. Однако инженеры защищали свои наработки, указывая, что двигатели Dz 710 гораздо более простые механически, чем многорядные Jumo 223 и Jumo 224 с четырьмя коленвалами. И хотя Dz 710 потерял актуальность как массовый двигатель для бомбардировщиков, у немцев ещё был интерес к мощным авиадизелям для дальних перелётов. Поэтому во время переговоров KHD с Junkers было решено переделать Dz 710 в двухтактный дизельный двигатель. Дальнейшие работы по дизельным Dz 710 проводились в опытном порядке до конца войны. Незадолго до захвата завода союзниками 16-цилиндровый дизель Dz 710 за номером VI развил мощностью 2360 л.с. при 2700 об/мин.
Чертёж одноцилиндрового макета Dz 710, на котором видна конфигурация окон: выходные сделаны выше и потому дольше остаются открытыми для более качественной продувки. Фотография
Calum Douglas (https://www.calum-douglas.com/)
32-цилиндровый Dz 720
В дальнейшем следы двухтактных авиадизелей KHD теряются. Известно, что двигатели были вывезены в США для исследований, однако 16- и 32-цилиндровые Dz 710 и Dz 720 исчезли и сегодня известны лишь по фотографиям. Dz 700 повезло куда больше. Существует предположение, что он был установлен на самолёт и после аварии попал к торговцу металлолома в 1964 году. Затем он находился в музее, а в 90-х годах его выкупил немецкий коллекционер. Правда, остаётся вопрос, как уникальный опытный авиадизель был установлен на самолёте и каковы были результаты его эксплуатации.
После захвата KHD, осмотра последних разработок и допросов персонала союзники выяснили следующее. Как рассказал инженер Ганс Драйер (Ing. Hans Dreyer), фирма KHD сделала ставку на двухтактные дизельные двигатели с продувкой Шнюрле воздушного охлаждения при малых диаметрах цилиндров и водяного при больших. Эксперименты показали, что быстроходные двухтактные дизели нормально охлаждаются воздухом при диаметре цилиндра 100 мм и меньше. При испытании макета двухтактного дизеля воздушного охлаждения с цилиндром диаметром 110 мм возникли серьёзные проблемы с неравномерным и недостаточным охлаждением, поэтому для многоцелевого наземного дизеля были выбраны цилиндры диаметром 90 мм. Чертежи и макеты этих двигателей были уничтожены во время войны. В отличие от американцев, немцы предпочитали бесклапанные двигатели. По мнению Драйера, если проектировать двухтактный двигатель с клапанами, то с таким же успехом можно было сделать и четырёхтактный мотор.
Двухцилиндровый макет T2M114 со снятыми головками цилиндров (фотография Harold Biondo https://www.patreon.com/haroldbiondo/posts)
В 1942 году немецкий флот заказал морской дизельный двигатель мощностью 400 л.с. Инженеры KHD подготовили проект 12-цилиндрого V-образного двухтактного дизеля водяного охлаждения диаметром 130 мм и ходом 140 мм. В рамках этой программы был построен двухцилиндровый макет T2M114, который выдал 70 л.с. при 1600 об/мин, что соответствовало продолжительному режиму и давало 420 л.с. у полного 12-цилиндрового двигателя. Двухтактный бесклапанный двигатель с обратной петлевой продувкой интересовал моряков возможностью реверса: в отличие от четырёхтактного, двухтактный бесклапанный двигатель может работать при любом направлении вращения коленвала. Многие чертежи этого двигателя были утеряны во время эвакуации, однако сохранились материалы по двухцилиндровому макету.
Чертёж T2M114 (фотография Harold Boindo)
Гильза T2M114 с 10 впускными и 3 большими выпускными окнами (фотография Harold Boindo)
Ближе к концу 1943 года KHD по заданию OKH начала работы по двухтактному танковому дизелю водяного охлаждения T8 M118 (встречается другое название TM118) мощностью 700 л.с. при 2000 об/мин. Поскольку этот двигатель требовалось вписать в имеющиеся моторные отделения, рассчитанные на компактные карбюраторные моторы Maybach, инженеры выбрали V-образную 8-цилиндровую схему под углом 90 градусов. При диаметре 170 мм и ходе 180 мм объём двигателя составлял 32,7 литра. Обратная петлевая продувка осуществлялась центробежным вентилятором в развале цилиндров. При 2000 об/мин коленвала его скорость составляла 7560 об/мин. По словам Книпкампа, продувка осуществлялась от отдельного вспомогательного мотора, но подтверждений этому я не нашёл.
Сперва были построены и испытаны два одноцилиндровых макета, которые выдали 86,5 л.с. при 2000 об/мин, что соответствовало 692 л.с. полного двигателя (позже мощность планировали довести до 800 л.с.). Затем был получен заказ на три двигателя. Немцы успели изготовить детали для сборки двигателя, но большая их часть была утеряна во время эвакуации в Ульм. Идея создать морскую версию этого двигателя продолжительной мощностью 550 л.с. при 1500 об/мин осталась на бумаге.
Двухцилиндровый макет T8M118. На данный момент это единственная известная мне иллюстрация, касающаяся этого двигателя.
T8 M118 ожидался к осени 1945 года и оценивался как тяговитый и простой в производстве. При его создании активно использовался богатый опыт линейки Dz 710. Если Гитлер и Заур предпочитали четырёхтактные дизели воздушного охлаждения, то Управление вооружений продвигало двухтактный дизель водяного охлаждения. Не зря T8 M118 был одним из перспективных вариантов силовой установки для E 50 и E 75. На допросе Книпкамп сказал, что если бы перед ним стояла задача создать танковый двигатель мощностью 1000 л.с. за десять лет, то при наличии единственного варианта он бы выбрал двухтактный дизель водяного охлаждения.
Вместо послесловия
Эта статья постепенно выросла из моих исследований темы двухтактных дизелей, поэтому в конце я приведу несколько мыслей на этот счёт.
Во-первых, японские двухтактные танковые дизели воздушного охлаждения попросту выдуманы. Вопреки утверждениям, которые можно встретить в нашей литературе, японцы использовали обычные четырёхтактные дизели на танках. Чертежи наглядно показывают, что они не могут работать по двухтактному циклу в принципе. Об этом я уже писал в соответствующей заметке. Однако мимо двухтактных дизелей японцы не прошли: на современном танке Type 90 стоит двухтактный дизельный двигатель водяного охлаждения.
Во-вторых, несмотря на стереотипы о нацистском танкостроении, именно немцы первыми в мире спроектировали специальный танковый двухтактный дизель - T8M118. Да, американцы ещё раньше наладили производство танков с двухтактными дизелями линейки Detroit Diesel 71, но это была адаптация имеющихся двигателей в условиях дефицита моторов. Но если говорить о разработке специального двигателя для танков, то здесь первыми были именно немцы. Причём в отличие от других танковых двухтактных дизелей, у T8M118 была продувка Шнюрле.
В-третьих, двухтактные дизели бывают очень, очень разными, поэтому простые ответы на сложные вопросы обычно не работают. Сколько я видел высказываний вроде «зря столько возились с 5ТДФ, он же двухтактный» или «вот и британцы поставили нормальные дизели вместо двухтактных». Однако проблема 5ТДФ и ему подобных заключается в попытке получить как можно больше удельной мощности. Само собой, работающий в напряжённом режиме двигатель требует кропотливого доведения до ума. И двухтактный цикл был лишь средством для достижения этой цели, а не корнем всех бед.
На своё время 5ТДФ был очень сложным и дорогим в изготовлении двигателем с очень высокими удельными показателями. T8M118, напротив, создавался с упором в простоту производства и использовал менее эффективный тип продувки, а его литровая мощность была на уровне четырёхтактного дизеля Sla 16 с наддувом, что более чем вдвое ниже, чем у раннего 5ТДФ. Оба этих двигателя - двухтактные дизели, но двухтактный цикл в них использовался для достижения разных целей.
Источники
Второй путь: двухтактные дизели с клапанами
У двухтактных двигателей со встречно-движущимися поршнями есть ряд достоинств. Они позволяют отказаться от клапанов и в то же время эффективно продувать цилиндры, а за счёт того, что камера сгорания образуется между двумя поршнями, уменьшается теплоотдача в воду (поскольку охлаждаемая водой поверхность сводится к минимуму). Однако из-за длинных цилиндров эти двигатели получаются или низкими и широкими, или узкими и высокими, что не всегда удобно. А когда инженеры пытались соединить несколько рядов цилиндров, на свет появлялись монструозные конструкции вроде Fairbanks-Morse Diamond, Napier Deltic или Jumo 223.
Двухтактный дизель Napier Deltic с тремя рядами по 6 цилиндров и 12 поршней каждый
Модель Napier Deltic C18 (E185) на скромные 5500 л.с.
Но что если нам нужен более традиционный и компактный дизель в габаритах обычного рядного или V-образного двигателя? В этом случае можно перейти к классической схеме с одним поршнем в цилиндре и заменить выходные окна на клапаны по типу четырёхтактных моторов. Этот способ продувки называется клапанно-щелевым: свежий воздух поступает через впускные окна (щели или множество круглых окошек) в нижней части цилиндра, а отработавшие газы удаляются через выпускные клапаны. Двигатели с клапанно-щелевой продувкой более гибкие в компоновке, они могут быть рядными или V-образными, однако за это приходится платить введением клапанов и распределительных валов.
Иллюстрация клапанно-щелевой продувки Detroit Diesel 71
Значительное развитие двухтактные дизели водяного охлаждения с клапанно-щелевой продувкой получили в США. В 30-х годах корпорация General Motors задумала линейку универсальных двухтактных дизелей, более лёгких, чем имеющиеся большие двигатели для генераторов и поездов. Для производства этих дизелей в 1938 году было организовано подразделение Detroit Diesel.
Дизели этой линейки известны как Detroit Diesel Series 71, поскольку объём цилиндра составлял 1,2 литра или 71 кубический дюйм. Первым в 1938 году появился рядный 6-цилиндровый дизель 6-71, за ним последовали рядные моторы с 2, 3 и 4 цилиндрами (под названиями 2-71, 3-71 и 4-71 соответственно), а самым маленьким в семействе был одноцилиндровый мотор 1-71. В 50-х годах появились и V-образные модели, например, 12-цилиндровый 12V-71. Двигатели этого семейства устанавливались на грузовики, автобусы и суда, а также на бронетехнику включая танки.
Характерная черта линейки 71 - клапанно-щелевая продувка. Роторный нагнетатель типа Рутс подаёт воздух в особую полость вокруг цилиндра с множеством круглых окон. Поршень уходит вниз и открывает множество круглых окошек, создающих воздушный вихрь. Тем временем отработавшие газы выдуваются через клапаны, а цилиндр продувается насквозь. В зависимости от требуемой мощности производились версии с двумя или четырьмя клапанами на цилиндр. Кроме того, в рядных моторах нагнетатель Рутс, стартер, выхлопная система и другое оборудование могут быть смонтированы на любой стороне двигателя для удобства компоновки. В целом дизель хорошо сбалансирован, распределительный вал не нарушает симметрию, поскольку с другой стороны имеется балансировочный вал. Для охлаждения дно поршня интенсивно омывается маслом.
GMC 6046 - спарка двух 6-71. Возможность установки нагнетателя и воздушных фильтров с любой стороны оказалась очень кстати.
Чертёж GMC 6046
После вступления США во Вторую мировую войну выпуск дизелей 71-ой линейки был доведён до 6 тысяч ежемесячно. Вариант двигателя 6-71 под индексом General Motors 6004 ставился на танки Valentine, а General Motors 6046, спарка из двух 6-71, применялся на танках M3A3 и M4A2, а также на самоходных орудиях M10 и M36B2. Ещё шире дизели серии 71 использовались на флоте.
В СССР не только применяли американские танки с двухтактными дизелями, но и строили гусеничные тягачи Я-12 с двигателями 4-71. После войны было освоено производство двухтактных дизелей ЯАЗ-204 и ЯАЗ-206 - фактически 4-71 и 6-71 с небольшими изменениями. Качество советских дизелей было ниже американских, да и культура обслуживания оставляла желать лучшего, поэтому эти двигатели имели посредственную репутацию, дескать, что взять с якобы примитивных устаревших и неудачных двухтактников. Основные проблемы, насколько можно судить по многочисленным высказываниям, были с уходом дизеля в разнос, а также с непредсказуемым запуском, когда коленвал начинал вращаться в противоположном направлении. В дальнейшем мы ещё упомянем возможность двухтактных дизелей работать с вращением коленвала в обе стороны. Что до ухода в разнос, когда дизель неконтролируемо повышает свои обороты и не останавливается даже после перекрытия подачи топлива, то на этот случай была предусмотрена заслонка, перекрывающая доступ воздуха к нагнетателю. Само собой, если дизель начинает пожирать масло вместо солярки, он продолжит работать даже при перекрытой подаче топлива, поэтому необходимо прекратить подачу воздуха, без которого горение невозможно.
Схема подачи воздуха в ярославских двухтактных дизелях. Обратите внимание на заслонку для глушения двигателя и упрощённую гильзу цилиндра с одним рядом круглых окошек.
На своё время дизели серии 71 были довольно продвинутыми конструкциями с высокими удельными показателями, поэтому они требовали соответствующего качества изготовления и обслуживания. Например, Ярославский завод не смог освоить производство долговечных тонкостенных гильз с 64 отверстиями диаметром 8 мм в два ряда и был вынужден перейти к гильзам с одним рядом из 17 отверстий диаметром 16 мм. Так что за фразами вроде «заменили допотопный двухтактник на нормальный четырёхтактный дизель» скрывается банальное «неосилили». Американцы же успешно развивали это направление до середины 1990-х годов, когда выпуск коммерческих двухтактных дизелей завершился из-за несоответствия новым экологическим нормам. Однако дизели General Motors всё ещё выпускаются для военных. Например, на бронетранспортёре M113 стоит двухтактный V-образный дизель 6V53.
Наш разговор о Detroit Diesel будет неполным без упоминания его волшебного звука работы. Так как в двухтактном дизеле каждый оборот коленвала рабочий, то в сравнении с четырёхтактными моторами возникает ощущение, будто он работает на очень высоких оборотах. Не зря детройтские двухтактники прозвали Screaming Jimmy, то бишь кричащим Джимми. Отмотайте видео на 5:30 и убедитесь сами:
Click to viewНаконец, хочется остановить недоразумение, связанное с обозначением нагнетателя типа Рутс. Как его у нас его только не записывают: РУТ, Рут, типа Рута и так далее. Между тем, всё просто. Нагнетатель этого типа был запатентован в Америке братьями Рутс (Roots) в 1866 году. Изначально братья Рутс наладили производство нагнетателей для вентиляции помещений, а позже их идея была применена и на двигателях внутреннего сгорания. Поэтому данный нагнетатель правильно обозначается как Roots blower - нагнетатель Рутс.
Третий путь: петлевая продувка
В описанных выше двигателях разными способами реализована самая эффективная прямоточная продувка. В первом случае за это приходится платить неудобством в компоновке и наличием второго коленвала (или же дополнительных коромысел), а во втором использованием клапанной системы. Между тем, двухтактный цикл привлекал инженеров как раз возможностью построить более простой механически бесклапанный двигатель с компактными головками цилиндров.
Представим простейший двухтактный бесклапанный двигатель с одним поршнем в цилиндре. Окна впуска и выпуска находятся напротив друг друга внизу цилиндра. Проблема в том, что при такой схеме будет хорошо продуваться лишь нижняя часть цилиндра, но что делать с верхней? В некоторых двигателях вместо поперечной устраивали дефлекторную продувку. На поршне имелся выступ (дефлектор), по форме напоминающий козырёк. Благодаря нему воздух направлялся вверх для более качественной продувки, однако сложная форма камеры сгорания ухудшает рабочий процесс.
Схема двухтактного двигателя с дефлектором на поршне. При его отсутствии верхняя часть поршня продувалась бы очень плохо.
Проект двухтактного дизеля воздушного охлаждения фирмы Porsche для Volkswagen показывает другое решение проблемы: поршень имеет выпуклую форму
В 1925 году немецкий инженер Адольф Шнюрле (Adolf Schnürle) запатентовал более эффективный способ петлевой продувки, при котором возможно иметь поршень оптимальной формы (его приоритет оспаривается, но для нашего повествования это не принципиально). Идея очень проста: впускные и выпускные окна расположены рядом, но форма впускных окон подобрана таким образом, что воздух устремляется к стенке цилиндра под углом вверх, отражается от неё и образует петлю. Выпускные окна находились несколько выше впускных чтобы дать больше времени на удаление отработавших газов. Обратная петлевая продувка улучшила характеристики двухтактных двигателей практически без усложнения конструкции.
Схема обратной петлевой продувки Шнюрле. Два потока свежего воздуха отражаются от стенки и образуют петлю.
Адольф Шнюрле работал на фирме Klöckner-Humboldt-Deutz, где при его участии был создан целый ряд двухтактных дизелей для различного применения. В 1935 году KHD получила заказ от Рейхсминистерства авиации на создание двухтактных авиадизелей. Работу вела группа инженеров под руководством Шнюрле. В 1937 году был спроектирован звездообразный восьмицилиндровый двухтактный дизель Dz 700 воздушного охлаждения. Диаметр цилиндров составлял 80 мм, что при ходе 100 мм давало суммарный объём 4 литра. Мощность двигателя весом 55 кг составляла около 160 л.с. при 2700 об/мин. Всего было построено четыре опытных образца, которые прошли стендовые испытания. В 1938 году был подготовлен проект 6-цилиндрового дизеля воздушного охлаждения объёмом 3,8 литра (благодаря увеличению диаметра до 90 мм объём уменьшился незначительно) для тренировочных самолётов с упором в минимальное число деталей и максимальную надёжность. Он был построен в единственном экземпляре. Отметим, что оба этих двигателя назывались Dz 700, то есть данное обозначение относилось ко всей программе, а не к конкретному изделию.
Восьмицилидровый двухтактный авиадизель Dz 700. В отличие от других образцов, он каким-то образом смог уцелеть
Параллельно с Dz 700 фирма KHD проводила исследования одноцилиндровых макетов, которые послужили основой для проектов мощных двухтактных бензиновых и дизельных авиамоторов мощностью 3000-4000 л.с. С началом Второй мировой войны все работы по дизелям для малой авиации были остановлены и это направление вышло на первый план. Теперь KHD получила задание на создание мощных двигателей для тяжёлых бомбардировщиков. В ответ инженеры предложили проекты двухтактных бензиновых оппозитных авиамоторов водяного охлаждения Dz 710 с обратной петлевой продувкой и непосредственным впрыском топлива. Как и в случае с Dz 700, это название отсылает к семейству проектов. В октябре 1940 года был предложен 24-цилиндровый двигатель из двух 12-цилиндровых оппозитных блоков один над другим взлётной мощностью 4000 л.с. Он предназначался для бомбардировщиков и конкурировал с линейкой многорядных двухтактных авиадизелей Junkers. Его лётные испытания намечались на 1945 год.
Ранний проект 24-цилиндрового двухтактного авиамотора водяного охлаждения
В 1942 году с ростом требований инженеры KHD переключились на 16- и 32-цилиндровые авиамоторы большей мощности. Были проведены обширные испытания одно- и двухцилиндровых макетов и началось изготовление трёх 16-цилиндровых двигателей мощностью 2700 л.с. у земли. 32-цилиндровый H-образный двигатель назывался Dz 720, по другим данным Dz 710P2. Его мощность планировали довести до 6000 л.с.
16-цилиндровый двухтактный авиадизель Dz 710
Испытательный стенд на заводе в Оберурзеле, где велись работы по линейке Dz 710
В 1943 году для программы настают тяжёлые времена. Из-за ухудшающейся обстановки на фронтах разработки KHD потеряли приоритет, а контракт был урезан на 2/3. Однако инженеры защищали свои наработки, указывая, что двигатели Dz 710 гораздо более простые механически, чем многорядные Jumo 223 и Jumo 224 с четырьмя коленвалами. И хотя Dz 710 потерял актуальность как массовый двигатель для бомбардировщиков, у немцев ещё был интерес к мощным авиадизелям для дальних перелётов. Поэтому во время переговоров KHD с Junkers было решено переделать Dz 710 в двухтактный дизельный двигатель. Дальнейшие работы по дизельным Dz 710 проводились в опытном порядке до конца войны. Незадолго до захвата завода союзниками 16-цилиндровый дизель Dz 710 за номером VI развил мощностью 2360 л.с. при 2700 об/мин.
Чертёж одноцилиндрового макета Dz 710, на котором видна конфигурация окон: выходные сделаны выше и потому дольше остаются открытыми для более качественной продувки. Фотография
Calum Douglas (https://www.calum-douglas.com/)
32-цилиндровый Dz 720
В дальнейшем следы двухтактных авиадизелей KHD теряются. Известно, что двигатели были вывезены в США для исследований, однако 16- и 32-цилиндровые Dz 710 и Dz 720 исчезли и сегодня известны лишь по фотографиям. Dz 700 повезло куда больше. Существует предположение, что он был установлен на самолёт и после аварии попал к торговцу металлолома в 1964 году. Затем он находился в музее, а в 90-х годах его выкупил немецкий коллекционер. Правда, остаётся вопрос, как уникальный опытный авиадизель был установлен на самолёте и каковы были результаты его эксплуатации.
После захвата KHD, осмотра последних разработок и допросов персонала союзники выяснили следующее. Как рассказал инженер Ганс Драйер (Ing. Hans Dreyer), фирма KHD сделала ставку на двухтактные дизельные двигатели с продувкой Шнюрле воздушного охлаждения при малых диаметрах цилиндров и водяного при больших. Эксперименты показали, что быстроходные двухтактные дизели нормально охлаждаются воздухом при диаметре цилиндра 100 мм и меньше. При испытании макета двухтактного дизеля воздушного охлаждения с цилиндром диаметром 110 мм возникли серьёзные проблемы с неравномерным и недостаточным охлаждением, поэтому для многоцелевого наземного дизеля были выбраны цилиндры диаметром 90 мм. Чертежи и макеты этих двигателей были уничтожены во время войны. В отличие от американцев, немцы предпочитали бесклапанные двигатели. По мнению Драйера, если проектировать двухтактный двигатель с клапанами, то с таким же успехом можно было сделать и четырёхтактный мотор.
Двухцилиндровый макет T2M114 со снятыми головками цилиндров (фотография Harold Biondo https://www.patreon.com/haroldbiondo/posts)
В 1942 году немецкий флот заказал морской дизельный двигатель мощностью 400 л.с. Инженеры KHD подготовили проект 12-цилиндрого V-образного двухтактного дизеля водяного охлаждения диаметром 130 мм и ходом 140 мм. В рамках этой программы был построен двухцилиндровый макет T2M114, который выдал 70 л.с. при 1600 об/мин, что соответствовало продолжительному режиму и давало 420 л.с. у полного 12-цилиндрового двигателя. Двухтактный бесклапанный двигатель с обратной петлевой продувкой интересовал моряков возможностью реверса: в отличие от четырёхтактного, двухтактный бесклапанный двигатель может работать при любом направлении вращения коленвала. Многие чертежи этого двигателя были утеряны во время эвакуации, однако сохранились материалы по двухцилиндровому макету.
Чертёж T2M114 (фотография Harold Boindo)
Гильза T2M114 с 10 впускными и 3 большими выпускными окнами (фотография Harold Boindo)
Ближе к концу 1943 года KHD по заданию OKH начала работы по двухтактному танковому дизелю водяного охлаждения T8 M118 (встречается другое название TM118) мощностью 700 л.с. при 2000 об/мин. Поскольку этот двигатель требовалось вписать в имеющиеся моторные отделения, рассчитанные на компактные карбюраторные моторы Maybach, инженеры выбрали V-образную 8-цилиндровую схему под углом 90 градусов. При диаметре 170 мм и ходе 180 мм объём двигателя составлял 32,7 литра. Обратная петлевая продувка осуществлялась центробежным вентилятором в развале цилиндров. При 2000 об/мин коленвала его скорость составляла 7560 об/мин. По словам Книпкампа, продувка осуществлялась от отдельного вспомогательного мотора, но подтверждений этому я не нашёл.
Сперва были построены и испытаны два одноцилиндровых макета, которые выдали 86,5 л.с. при 2000 об/мин, что соответствовало 692 л.с. полного двигателя (позже мощность планировали довести до 800 л.с.). Затем был получен заказ на три двигателя. Немцы успели изготовить детали для сборки двигателя, но большая их часть была утеряна во время эвакуации в Ульм. Идея создать морскую версию этого двигателя продолжительной мощностью 550 л.с. при 1500 об/мин осталась на бумаге.
Двухцилиндровый макет T8M118. На данный момент это единственная известная мне иллюстрация, касающаяся этого двигателя.
T8 M118 ожидался к осени 1945 года и оценивался как тяговитый и простой в производстве. При его создании активно использовался богатый опыт линейки Dz 710. Если Гитлер и Заур предпочитали четырёхтактные дизели воздушного охлаждения, то Управление вооружений продвигало двухтактный дизель водяного охлаждения. Не зря T8 M118 был одним из перспективных вариантов силовой установки для E 50 и E 75. На допросе Книпкамп сказал, что если бы перед ним стояла задача создать танковый двигатель мощностью 1000 л.с. за десять лет, то при наличии единственного варианта он бы выбрал двухтактный дизель водяного охлаждения.
Вместо послесловия
Эта статья постепенно выросла из моих исследований темы двухтактных дизелей, поэтому в конце я приведу несколько мыслей на этот счёт.
Во-первых, японские двухтактные танковые дизели воздушного охлаждения попросту выдуманы. Вопреки утверждениям, которые можно встретить в нашей литературе, японцы использовали обычные четырёхтактные дизели на танках. Чертежи наглядно показывают, что они не могут работать по двухтактному циклу в принципе. Об этом я уже писал в соответствующей заметке. Однако мимо двухтактных дизелей японцы не прошли: на современном танке Type 90 стоит двухтактный дизельный двигатель водяного охлаждения.
Во-вторых, несмотря на стереотипы о нацистском танкостроении, именно немцы первыми в мире спроектировали специальный танковый двухтактный дизель - T8M118. Да, американцы ещё раньше наладили производство танков с двухтактными дизелями линейки Detroit Diesel 71, но это была адаптация имеющихся двигателей в условиях дефицита моторов. Но если говорить о разработке специального двигателя для танков, то здесь первыми были именно немцы. Причём в отличие от других танковых двухтактных дизелей, у T8M118 была продувка Шнюрле.
В-третьих, двухтактные дизели бывают очень, очень разными, поэтому простые ответы на сложные вопросы обычно не работают. Сколько я видел высказываний вроде «зря столько возились с 5ТДФ, он же двухтактный» или «вот и британцы поставили нормальные дизели вместо двухтактных». Однако проблема 5ТДФ и ему подобных заключается в попытке получить как можно больше удельной мощности. Само собой, работающий в напряжённом режиме двигатель требует кропотливого доведения до ума. И двухтактный цикл был лишь средством для достижения этой цели, а не корнем всех бед.
На своё время 5ТДФ был очень сложным и дорогим в изготовлении двигателем с очень высокими удельными показателями. T8M118, напротив, создавался с упором в простоту производства и использовал менее эффективный тип продувки, а его литровая мощность была на уровне четырёхтактного дизеля Sla 16 с наддувом, что более чем вдвое ниже, чем у раннего 5ТДФ. Оба этих двигателя - двухтактные дизели, но двухтактный цикл в них использовался для достижения разных целей.
Источники
- А. С. Антонов, Б. А. Артамонович, Б. М. Коробков, Е. И. Магидович. Танк - Военное издательство министерства обороны СССР, 1954
- В. В. Чобиток, М. В. Саенко, А. А. Тарасенко, В. Л. Чернышев. Основной танк Т-64. 50 лет в строю - Яуза, 2016
- Энциклопедический справочник Машиностроение под редакцией академика Е. А. Чудакова, том 10 - Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1948
- Серийный авиационный дизельный двигатель Jumo-205. Германия
- Двигатель 5ТДФ. Техническое описание - Военное издательство министерства обороны СССР, 1977
- Исследование технологичности английских танковых двигателей «Л-60» и «К-60» (Вестник бронетанковой техники. № 2/1974 г.)
- Двигатели ЯАЗ-М204 и ЯАЗ-М206 (описание и инструкция по эксплуатации)
- Who IS Roots? And Why Does He Have a Blower Named After Him?
- Vickers - Examination & Testing of Auxiliary Gasoline Driven Hydraulic Power Unit for German Tank Turret (https://www.patreon.com/haroldbiondo/posts)
- Commer TS3 & Two Stroke Diesels (фотоальбом)
- BIOS Final Report 1391 - Development of Loopscavenged Two-cycle High-speed Compression Ignition Engines of Small Bore (https://www.patreon.com/haroldbiondo/posts)
- BIOS Final Report No.343. German Diesel Engine Industry (прислал Calum Douglas https://www.calum-douglas.com/)
- William Pearce. Klöckner-Humboldt-Deutz (KHD) Dz 700, Dz 710, and Dz 720
- Helmut Hujer. Die Entwicklung von Großflugmotoren in Oberursel 1941 bis 1945
- Museumsführer zum Werksmuseum Motorenfabrik Oberursel
- Report on Interrogation of Dipl.-Ing. Ernest Kniepkamp (tank engines)