Analysis of combustion engine design differences between vehicle and ultralight aircraft engines

Transkrypt

1 Article citation info: ŚWIĄTEK P., FUĆ P. Analysis of combustion engine design differences between vehicle and ultralight aircraft engines. Combustion Engines. 2015, 162(3), ISSN Piotr ŚWIĄTEK Paweł FUĆ PTNSS Analysis of combustion engine design differences between vehicle and ultralight aircraft engines Very light and ultra-light aircraft are among the means of transport that can deliver high-speed transport between urban centers in the future. Propulsion systems for such aircraft use piston internal combustion engines. The article analyzes the structural differences between them and automotive engines. Selected engines that are available on the market have been presented. The construction of the body and head; the timing systems; intake systems, exhaust and power supply; powertrains and engine mounts as well as safety and regulatory requirements were analyzed. There were significant differences between the two structures, resulting from the different requirements and operating conditions. Key words: piston internal combustion engine, ultralight aircraft Analiza różnic konstrukcji silników spalinowych samochodowych i do samolotów ultralekkich Streszczenie: Samoloty bardzo lekkie i ultralekkie są jednymi ze środków transportu, które mogą zapewnić w przyszłości szybki transport między aglomeracjami miejskimi. Źródłem napędu dla takich samolotów są tłokowe silniki spalinowe. W artykule dokonano analizy różnic konstrukcyjnych między nimi i silnikami samochodowymi. Przedstawiono wybrane silniki dostępne na rynku. Przeanalizowano budowę korpusu i głowicy; układy rozrządu; układy dolotowe, wylotowe oraz zasilania; układy napędowe i mocowanie silnika a także bezpieczeństwo i wymogi prawne. Wykazano istotne różnice między obydwiema konstrukcjami, wynikające z odmiennych wymagań i warunków pracy. Słowa kluczowe: silnik lotniczy tłokowy, ultralekkie statki powietrzne 1. Wstęp Obecnie z powodu dużej liczby pojazdów kołowych, przepustowość dróg staje się niewystarczająca. Jednym z możliwych rozwiązań tego problemu jest popularyzacja prywatnego transportu lotniczego, tj. samolotów lekkich, bardzo lekkich i ultralekkich (UL). Takie środki transportu zapewniają krótki czas podróży między większymi miastami i są ekonomicznie opłacalne. Ponadto mogą lądować na mniejszych lotniskach, które nie są dostępne dla rejsowych samolotów pasażerskich. Tab. 1 Wybrane silniki do samolotów bardzo lekkich i ultralekkich [1-4] Silnik Pojemność [cm3] Układ cylindrów Ilość cyl. Średnica tłoka [mm] Skok tłoka [mm] Stopień kompresji Moc [kw] Moc [KM] Moc przy obrotach Moment obrotowy [Nm] Moment przy obrotach Jabiru bokser 4 97,5 74 8: b.d. b.d. 62, Limbach L2400 DFI/EFI 2424 bokser ,5: Limbach L2000 EB 1994 bokser ,4 8,4: b.d. b.d. 76, Limbach L2400 EB 2424 bokser ,5: b.d. b.d Rotax 912 UL 1211 bokser 4 79,5 61 b.d. 59, , Rotax 912 ULS 1352 bokser b.d. 73, , Rotax 912 is Sport 1352 bokser b.d. 73, , Vaxell 80i 1915 bokser ,5: , Vaxell 100i 2276 bokser ,2: , Waga orientacyjna [kg] Cena [PLN] 703

2 Tab. 2 Analizowane silniki samochodowe do zastosowań w ultralekkich i bardzo lekkich samolotach [6] Samochód Silnik Pojemność [cm3] Układ cylindrów Ilość cyl. Średnica tłoka [mm] Skok tłoka [mm] Stopień kompresji Moc [kw] Moc [KM] Moc przy obrotach Moment obrotowy [Nm] Moment przy obrotach Fiat 500L Livign V A rzędowy ,8: Ford Fiesta 1.0 TI-VCT 2012 b.d. 999 rzędowy 3 71, : Opel Adam V 2012 b.d rzędowy 4 73,4 82,6 10,5: Renault Megane V 2012 b.d rzędowy 4 79,5 80,5 9,8: Subaru Imperza 1.5I 2005r. EJ bokser ,8 10: Toyota Yaris NR-FE 1329 rzędowy 4 72,5 80,5 11,5: VW 1302 S "Garbus" 1970 b.d bokser 4 85,5 69 7,5: Bardzo lekkie i ultralekkie samoloty mogę być kupowane w całości lub składane we własnym zakresie z części dostarczonych przez producenta. W pierwszym przypadku producent montuje wybrany silnik, zgodny z certyfikacją samolotu. W drugim możliwe jest zastosowanie dowolnego silnika dostosowanego do napędu samolotu. Mogą to być silniki produkowane z myślą o statkach powietrznych, lub modyfikowane konstrukcje silników samochodowych. Silniki tłokowe są stosowane w samolotach od początku lotnictwa. Obecnie wraz z rozwojem silników odrzutowych ich znaczenie jest mniejsze, jednak nadal są stosowane w samolotach lekkich. Konstrukcje silników dedykowanych do samolotów posiadają sprawdzone rozwiązania i ulegają niewielkim zmianom na przestrzeni lat. Silniki do samochodów z kolei są cały czas modyfikowane i rozwijane. Możliwa jest adaptacja tych jednostek do zastosowania w samolotach. W tym celu należy przeanalizować różnice konstrukcyjne obu silników, co zostanie przedstawione w niniejszym artykule. Różnice między silnikami wynikają także z odmiennych wymagań napędów oraz warunków pracy. Samoloty latają na różnych wysokościach nad poziomem morza, stąd silniki narażone są na znaczne zmiany temperatury, ciśnienia i wilgotności w krótkim czasie. Te same parametry w przypadku samochodów zmieniają się w mniejszym zakresie i w dłuższym okresie czasu. Napęd śmigłowy wytwarza siłę ciągu, która działa wzdłużnie do osi wału korbowego, natomiast w samochodach na koła przenoszony jest moment obrotowy. Różne napędy skutkują także różnymi wymaganymi charakterystykami silników. Śmigło ze względów aerodynamicznych, pracuje optymalnie w ograniczonym zakresie obrotów, natomiast w samochodach wykorzystywany jest prawie cały zakres pracy silnika. 2. Analiza rynku silników spalinowych do statków powietrznych W tabeli 1 przedstawiono parametry wybranych silników do samolotów i silników samochodowych. Jednostki samochodowe dobrano na podstawie podobnych wartości mocy maksymalnej, z wyjątkiem konstrukcji VW, która jest bazą dla silnika lotniczego Vaxell. Ceny silników w tabeli 1 podano orientacyjnie, bez kosztów wyposażenia dodatkowego, transportu oraz cła. Zawarte masy silników są orientacyjne, ponieważ każdy producent podaje te dane w różnych konfiguracjach wyposażenia dodatkowego. Można przybliżyć, że masa silników do samolotów UL jest w zakresie 70±15 kg. Bardzo lekkie samoloty posiadają maksymalną masę startową (MTOW) 750 kg, natomiast ultralekkie 495 kg [5]. Z uwagi na te ograniczenia, silnik musi być jak najlżejszy, ponadto masa silnika wpływa istotnie na wyważenie samolotu. Stosunek masy silnika do masy samolotu, wynosi minimalnie 0,09-0,14, w zależności od rodzaju samolotu. Silniki do UL charakteryzują się mocą od 56 do 74 kw, osiąganą przy prędkościach obrotowych zbliżonych do 3000 obr/min z bezpośrednim napędem śmigła z wału korbowego lub przy prędkościach obrotowych do 6000 obr/min (rys 1.). W drugim przypadku konieczne jest zastosowanie przekładni redukującej obroty. Wybrane silniki samochodowe osiągają maksymalną moc w zakresie obr/min. Moc maksymalna [kw] Silniki do samolotów ultralekkich 20 Silniki samochodowe Prędkość obrotowa [rpm] Rys. 1 - Wartości maksymalnej mocy silników 704

3 Biorąc pod uwagę te parametry oraz charakterystykę napędu śmigłowego, adaptując silnik samochodowy konieczne jest zastosowanie reduktora lub ingerencja w jednostkę sterującą celem modyfikacji przebiegu charakterystyki pełnej mocy. 3. Analiza budowy korpusu i głowicy Silniki do samolotów ultralekkich mają przeciwsobny układ cylindrów. Wynika to ze zwartej konstrukcji, łatwej do zabudowy w płatowcu oraz pełnego wyrównoważenia sił bezwładności, co eliminuje drgania przenoszone na konstrukcję samolotu. W przypadku silników samochodowych przeważnie stosowany jest rzędowy układ cylindrów, który jest bardziej opłacalny w produkcji masowej. Z uwagi na wymaganą jak najmniejszą masę, w silnikach UL w konstrukcjach korpusu i głowicy stosuje się wyłącznie stopy aluminium lub magnezu, natomiast w silnikach samochodowych są to żeliwo lub stopy aluminium. Sposób chłodzenia silnika jest także inny. W przypadku samolotów stosuje się głównie chłodzenie powietrzem lub łącznie powietrzem i cieczą. Takie rozwiązanie zastosowano w silnikach Rotax i Limbach, gdzie powietrzem chłodzony jest korpus i cylindry, natomiast głowice chłodzone są cieczą. W silnikach samochodowych stosuje się wyłącznie chłodzenie cieczą. 4. Analiza układów rozrządu Wymagania niezawodności pracy silnika w samolotach bardzo lekkich i ultralekkich spowodowały, że do obecnej chwili stosuje się nieskomplikowane konstrukcje dwuzaworowych układów rozrządu z wałkiem umieszczonym w korpusie (OHV). Układ taki umożliwia osiągnięcie momentu obrotowego przy mniejszej prędkości obrotowej [7], co jest korzystne przy bezpośrednim napędzie śmigła. W silnikach samochodowych stosuje się głównie układ czterech zaworów na cylinder z wałkami umieszczonymi w głowicy (DOHC). Silnik samolotu pracuje z maksymalną mocą przy starcie, natomiast w pozostałych fazach lotu jest potrzebna stała, mniejsza moc. Zakres używanych prędkości obrotowych silnika jest ograniczony. Samochód podczas eksploatacji przyspiesza i hamuje, wielokrotnie zmieniając prędkość, dlatego jego silnik pracuje w dużym zakresie prędkości obrotowych. Z tego powodu stosuje się w silnikach samochodowych zmienne fazy rozrządu, które poprawiają charakterystykę przebiegu mocy i momentu obrotowego. Jednak ze względu na skomplikowaną budowę praktycznie nie stosuje się ich w silnikach lotniczych. Tab. 3 Fazy rozrządu Otwarcie zaworu dolotowego przed GMP Zamknięcie zaworu dolotowego po DMP Otwarcie zaworu wylotowego przed DMP Zamknięcie zaworu wylotowego po GMP VW 1302S Vaxell 80i 7º30' 10º 37º 13º 44º30' 40º 4º 2º W silniku Vaxell, poprzez zwiększenie objętości skokowej, zmianę parametrów rozrządu, układu dolotowego oraz zasilania uzyskano większą moc przy mniejszej prędkości obrotowej. W układzie rozrządu zmieniono głównie fazy rozrządu (tab. 3). Na rysunku 2 porównano charakterystykę silnika VW 1302S z zamontowanym seryjnym wałkiem rozrządu oraz wałkiem zmodyfikowanym ( specjalnym ), o czasach otwarcia zaworów takich samych jakie zastosowano w silniku Vaxell 80i. Stwierdzono wzrost mocy z 35 do 42 kw oraz przesunięcie punktu maksymalnej mocy z 4000 na 3000 obr/min. Zmiana ta jest bardzo korzystna, ponieważ dopasowuje charakterystykę silnika do charakterystyki napędu śmigłowego, w którym śmigło pracuje optymalnie do prędkości obrotowej maksymalnej około 3000 obr/min. Rys. 2 - Charakterystyki silnika VW 1302S 5. Analiza konstrukcji układu dolotowego, wylotowego oraz zasilania paliwem Silniki samochodowe są eksploatowane w warunkach panujących na powierzchni ziemi, zmieniających się w dłuższym okresie czasu, natomiast samoloty ultralekkie, ze standardowym wyposażeniem, mogą latać do 3000 m.n.p.m.. Wiąże się to ze spadkiem temperatury o 15-30ºC oraz ciśnienia powietrza do 350 hpa. Takie zmiany warunków eksploatacji wymuszają możliwość regulacji sterowania silnika w czasie lotu. Układ dolotowy silnika samolotowego musi być jak najlżejszy oraz zapewniać odpowiedni dopływ powietrza do komory spalania, nie może znacząco zmniejszać przepływu powietrza przez cylindry lub głowice ze względu na atmosferyczne chłodzenie silnika. Ponadto długość kolektora dolotowego powinna być tak dobrana, żeby silnik osiągał mak- 705

4 symalną moc przy odpowiedniej prędkości obrotowej śmigła. Układ wylotowy w samochodach składa się z 3 części: kolektora wylotowego z rurą wylotową, tłumików wylotowych oraz wbudowanego systemu katalitycznego. System ten umożliwia spełnienie przez silnik normy emisji spalin. Dla samolotów bardzo lekkich i ultralekkich takich norm dotychczas nie wprowadzono, jednak są określone normy dotyczące hałasu [8]. W samolotach układ wylotowy składa się tylko z kolektora oraz tłumika wylotowego. Układ zasilania w silnikach samolotowych do niedawna zawierały wyłącznie gaźniki. Przyczyną tego jest prosta i niezawodna konstrukcja gaźników oraz brak norm dotyczących emisji spalin. W samochodach stosuje się wyłącznie zasilanie poprzez wtrysk paliwa, którego konstrukcja jest niezawodna, odporna na różne warunki klimatyczne i zapewnia sterowanie składem mieszanki paliwowopowietrznej. Dopiero od kilku lat są dostępne na rynku także silniki do samolotów wyposażone w elektroniczny wtrysk paliwa. Takie systemy posiadają zwielokrotnione układy w celu zapewnienia bezpieczeństwa. W stosunku do gaźników są one odporne na zjawisko oblodzenia w locie. Obieg paliwa w układzie wtryskowym jest zamknięty, co eliminuje niebezpieczeństwo pożaru podczas np. odwrócenia samolotu przy katastrofie. Elektroniczne sterowanie umożliwia automatyczną korektę składu mieszanki względem zmieniających się warunków atmosferycznych oraz ograniczenie emisji spalin. 6. Różnice konstrukcji układów napędowych i mocowania silnika W samolotach w skład zespołu napędowego wchodzi silnik i śmigło. Cały układ musi generować siłę ciągu umożliwiającą start i wznoszenie się statku powietrznego. Siła ta jest przenoszona w całości na łożyska wzdłużne wału korbowego. Średnica śmigła zależy od maksymalnych obrotów silnika, ponieważ prędkość końca łopat nie może przekraczać prędkości dźwięku. W samolotach bardzo lekkich i ultralekkich stosuje się przeważnie śmigła o stałym kącie natarcia łopat bez możliwości regulacji w trakcie lotu. Śmigło posiada także moment bezwładności, który pozwala na zmniejszenie rozmiarów lub wyeliminowanie koła zamachowego. Z uwagi na drgania skrętne, szczególnie przy niskich prędkościach obrotowych, istnieje możliwość pękania śmigieł, dlatego stosuje się tłumiki drgań skrętnych. Zespół napędowy jest mocowany za pomocą łoża do ściany ogniowej płatowca która stanowi płytą oddzielającą kabinę od komory silnika. Łoże silnika to kratownica wykonana z rur ze stali węglowej, do której silnik mocowany jest za pomocą elastycznych elementów gumowo-metalowych tzw. lordów. Takie mocowanie ogranicza drgania przenoszone na konstrukcję płatowca. W większości silników punkty mocujące znajdują się w tylnej części korpusu. Zespół napędowy w samochodach składa się z silnika i skrzyni biegów. Na koła pojazdu jest przenoszony moment obrotowy, natomiast jedyna siła osiowa jaka działa na wał korbowy to siła oporu sprężyny sprzęgła w momencie wysprzęglania (przy skrzyniach manualnych). Punkty mocujące zespół napędowy znajdują się na korpusie silnika i skrzyni biegów. 7. Bezpieczeństwo i wymogi prawne Bezpieczeństwo jest w samolotach najważniejsze, natomiast w samochodach nie jest tak istotne, z czego wynikają różnice w konstrukcji silników. W celu zminimalizowania ryzyka awarii konstrukcje silników lotniczych charakteryzują się nieskomplikowaną budową oraz posiadają zdublowane niektóre układy, np. układ zapłonowy czy układ zasilania paliwa. Silniki samochodowe muszą być homologowane, przy czym homologacja dotoczy norm emisji spalin. W samolotach ultralekkich i bardzo lekkich, silniki mogą być certyfikowane ale nie muszą. Certyfikacja obejmuje silnik oraz wyposażenie dodatkowe. 8. Podsumowanie Przedstawiona analiza wykazała znaczne różnice w parametrach konstrukcyjnych obu rodzajów silników, które wynikają głównie z odmiennych wymagań oraz innych układów napędowych. Niektóre rozwiązania konstrukcyjne stosowane w samochodach nie znajdują zastosowania w silnikach samolotów (układy zmiennych faz rozrządu, głowice 4-zaworowe). Przy adaptacji silnika samochodowego konieczne są istotne zmiany w konstrukcji wynikające z charakterystyki napędu, mocowania silnika w płatowcu oraz przystosowania do warunków panujących w locie. Problemem konstrukcyjnym jest zamontowanie śmigła na wale korbowym. Ponadto ważne jest zapewnienie odpowiedniego poziomu niezawodności oraz bezpieczeństwa. Bibliography/Literatura [1] [dostęp ] [2] [dostęp ] [3] [dostęp ] [4] [dostęp ] [5] Rozporządzenia Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 7 706

5 sierpnia 2013 r. w sprawie klasyfikacji statków powietrznych (Dz. U Poz. 1032) [6] [dostęp ] [7] Balicki W., Kawalec K., Pągowski Z., Szczeciński J., Sczeciński S.: Historia i perspektywy rozwoju napędów lotniczych, Wydawnictwo Naukowe Instytutu Lotnictwa, Warszawa 2005 [8] International Civil Aviation Organization (ICAO), Annex 16 to the Convention on International Civil Aviation Environmental Protection, Volume I Aircraft Noise [online], [dostęp ]. Dostępny w Internecie: Piotr Świątek, MEng. PhD student in the Faculty of Machines and Transportation of Poznan University of Technology. Mgr inż. Piotr Świątek doktorant na Wydziale Maszyn Roboczych i Transportu Politechniki Poznańskiej. Paweł Fuć, DSc. DEng. Associate Professor, Institute of Combustion Engines and Transport At Poznan University of Technology Dr hab. inż. Paweł Fuć prof. nadzw. w Instytucie Silników Spalinowych i Transportu Politechniki Poznańskiej. 707