Diesel ve vzduchu – Diesel s křídly

Jestliže je Rudolf Diesel považován, a právem, ze otce konstrukce vznětového motoru, potom Hugo Junkers je ten, kdo dostal dieselův motor do vzduchu. Podařilo se mu vyvinout motor, který znamenal výrazný pokrok v technice.

Dr. Hugo Junkers (3. 2. 1858 – 3. 2. 1935) se oženil až když mu bylo čtyřicet, přesto s ženou o 18 let mladší zplodil za 24 let celkem dvanáct potomků – sedm dcer a pět synů. Jeho firma na patentované ohřívače vody chrlila výrobky jak divá, přesto však on sám mířil výš. Když se v roce 1909 přišel korunnímu princi Vilémovi pochlubit prototypem vrtule, vzešlé z jeho konstrukční kanceláře, bylo mu padesát jedna let. Letectví ještě bylo v plenkách, ale on již myslel na budoucnost. V roce 1910 získal první patenty v oblasti letecké mechaniky. O pět let později (1915) ve věku 57 let vyprojektoval první celokovový letoun. V té době se na nebi proháněla letadla ze dřeva, plátna a překližky.

Vzhůru k výškám

Od počátku století Junkers experimentoval se svojí variantou dieselova motoru vhodného pro pohon letadel. Rozhodl se pro konstrukci s protiběžnými vertikálně uloženými písty, které ovládaly zdvihový prostor, určovaly spalovací prostor a řídily sání, výfuk a vyplachování. Po létech práce mu byla jeho varianta velkomotoru 27. září 1907 patentována. První Junkersův vznětový motor z roku 1908 měl maximální výkon 110 kW/150 k až 147 kW/200 k. V roce 1913 zkompletoval čtyřválcový motor s typovým označením MO-3 a následující rok šestiválcový MO-4. Dalším Junkersovým experimentálním leteckým dieselovým motorem byl šestiválec FO-2 postavený v roce 1916, který již byl schopen maximálního výkonu na hranici 368 kW/500 k při 2400 min^-1.

V té době byla postavena také tisícikoňová varianta, která dokonale dokumentovala neobyčejný progres Junkersovy konstrukce leteckých motorů. Všechny doposud postavené letecké motory Junkers byly schopny spalovat naftu, která se dopravovala do prostoru válců pod tlakem, a využívaly k zážehu směsi zapalovací elektrickou svíčku. Ještě v roce 1913 založil Dr. Hugo Junkers pod svým jménem podnik na výrobu motorů v Magdeburku. První světová válka však výrobě nepřála, a tak mohl na konstrukci vznětového motoru, který by se hodil pro letecký průmysl pokračovat až v roce 1918. Pro celou řadu leteckých odborníků to však byla věc technicky přímo nemyslitelná! Navíc je třeba si uvědomit také složitost doby, kterou právě v těchto létech charakterizuje Versailleská smlouva již muselo poražené Vilémovské Německo bezpodmínečně přijmout. Přesto si Hugo Junkersu držel technický i společenský nadhled a byl v konstrukci vznětového leteckého motoru na špici. Jeho první vznětové motory určené ještě pro lodní dopravu měly jednotkovou hmotnost 69 kg/1 k výkonu (1913), avšak stabilní motor z roku 1921 již jen 29 kg/1 k. Roku 1926 postavil první vznětový motor s protiběžnými písty a zapalováním směsi tlakem, s maximálním výkonem 36 kW/50 k a s měrnou hmotností jen 5 kg/1 k. Na výstavě letecké techniky v Berlíně roku 1926 prezentovaly Junkersovy závody na výrobu motorů svoji pětiválcovou vznětovou variantu FO-3 s maximálním výkonem 610 kW/830 k při 1200 min^-1.

Následovala rozměrově o něco menší a hmotnostně příhodnější varianta tentokrát šestiválce z roku 1928 označená F04, která byla úspěšně zakonstruovaná do draku celokovového jednoplošníku Junkers F-24. A právě tento letoun vykonal v roce 1929 první, panenský, let s dieselovým motorem na světě na trase z Desavy do Kolína nad Rýnem! Další vývoj vedl k výkonové variantě motoru schopného poskytnout 529 kW/720 k při 1700 min^-1 označeného typovým názvem a číslem Jumo 4 (první montáž do draku třímotorového dopravního letadla Junkers G 24). V roce 1931 to byly právě tyto motory, které vstoupily ve zcela regulérní letecký provoz a poháněly letadla společnosti Lufthansa. Od okamžiku, kdy jejich maximální výkon stoupl na 566 kW/770 k při 1800 min^-1 byly opět typově přeznačeny na Jumo 204 (aplikace v letadlech Junkers Ju 52, Junkers Ju 86, Junkers G.38 a Blohm & Voss BV 138). V roce 1935 byla jejich výroba zastavena ve prospěch rozměrově menšího a příhodnějšího motoru Jumo 205, který disponoval maximálním výkonem 515 kW/700 k při 2500 min^-1 nebo 647 kW/880 k při 3000 min^-1.

Na obloze

S naftovými motory Junkers Jumo 205 se na obloze objevily německé stroje Blohm & Voss BV 138 námořní pozorovací letoun s dálkovým doletem – Der Fliegende Holzschuh (létající pantofel). Blohm & Voss Ha 139 celokovový plovákový letoun, původně dopravní, později ve válce průzkumný a minonosný. Blohm & Voss BV 222 Viking největší německý válečný létající člun se šesti motory. Dornier Do 18, krásný, aerodynamický létající člun se dvěma tandemově uspořádanými motory na centrálním pylonu, původně vyrobený pro potřeby Lufthansy. Dornier Do 26, celokovový čtyřmotorový létající člun konstruovaný s nosností 500 kg či čtyř pasažérů na trase Lisabon – New York. Často je tento typ letounu označován za nejkrásnější létající člun, který byl kdy postaven. Junkers Ju 86, původní dopravní letou pro deset cestujících. Před druhou světovou válkou dva stroje provozovala společnost Swissair a pět Lufthansa. V okamžiku „předpremiéry“ druhé světové války nalezly tyto dvoumotorové jednoplošníky uplatnění jako nechvalně proslulé bombardéry ve Španělské civilní válce a následně v největším válečném konfliktu lidstva. Vřazením výfukového turbodmychadla do konstrukce Jumo 205 vznikla verze Jumo 207, která byla schopna maximálního výkonu 735 kW/1000 k při 3000 min^-1. Přeplňovanými diesely Jumo 207A-1 byl osazen prototyp výškového letounu Junkers Ju 86 P se zvětšeným rozpětím křídla a přetlakovou kabinou schopný dosáhnout výšky až 12 000 m. Ve vojenských letadlech se záhy objevila poněkud větší a výkonnější (882 kW/1200 k) varianta Junkersova motoru označená Jumo 206. Dr. Hugo Junkersovi se podařilo to, v co nikdo ani nedoufal. Jeho první naftový motor schopný efektivně pohánět letoun, Jumo 4 o výkonu 551 kW/750 k, měl měrnou hmotnost 1 kg/1 k a Jumo 5 z roku 1931 jen 0,92 kg/ 1 k a v roce 1935 dokonce jen 0,64 kg/1 k!

Slavná konstrukce

Typová varianta dvoudobého vznětového motoru s dvanácti protiběžnými písty v šesti válcích 150 mm x (2 x 160 mm) a dvěma klikovými hřídeli spojenými s hnacím hřídelem vrtule redukčním ozubeným soukolím Junkers Jumo 205 C (zdvihový objem 16,6 l, suchá hmotnost 595 kg, maximální výkon 674 kW/876 k při 2800 min^-1) byla certifikována v prosinci roku 1933. Do vzduchu se dostala v březnu roku 1935. Šest válců motoru Jumo 5 bylo řazeno v řadě za sebou a „naplněno“ dvanácti písty pracujícími proti sobě. Obě dvě klikové hřídele, horní i spodní, byly spojeny soustavou redukčních ozubených kol. Unikátní konstrukce virtuálního dvanáctiválce pracovala ve dvoudobém rytmu. Ve své době šlo o velmi pokrokovou konstrukci. Na výstupní hřídeli byla umístěna vrtule. Hřídel byla uložena ve dvou valivých ložiskách a končila u posledního válce z řady. V její pravé části bylo kolo s čelním ozubením. Kolo přenášelo rotační pohyb z obou klikových hřídelů. K přenosu sloužila soustava ozubených kol s čelním ozubením, které byly uloženy vlevo vedle posledního válce motoru. Těch ozubených kol bylo celkem pět, přičemž dvě byla uložena přímo na koncích klikových hřídelů. Třetí bylo na hřídeli vrtule a zbývající dvě pod touto hřídelí, sloužila k přenosu točivého momentu ze spodní klikové hřídele. Horní kliková hřídel byla ozubeným kolem na svém konci spojena přímo s kolem na hřídeli vrtule. Dvojice kol mezi spodním hřídelem a hřídelem vrtule byla uložena vždy samostatně na nábojích uložených v bloku motoru. Celá tato soustava ozubených kol zároveň sloužila jako reduktor. Klikové hřídele byly uloženy každá celkem v osmi kluzných ložiscích (včetně ložisek za kolem odběru výkonu klikových hřídelí). Obě hřídele byly uloženy symetricky vůči sobě na horním a dolním konci bloku motoru. Písty jsou v jednom válci po dvojicích, vždy s protiběžným chodem. Spalovací prostor je vytvořen mezi oběma písty, jak již bylo uvedeno výše, motor tedy nemá hlavu. Vždy jeden z pístů řídí otevírání a zavírání výfukových kanálů, druhý kanálů vyplachovacích.

Souproudé vyplachování

Obecně je tedy zřejmé, že vyplachování bylo tzv. „souproudé“, tedy velmi účinné. Aby bylo možno dosáhnout skutečně velkého spádu tlaku (dostatečně velkého poklesu tlaku nutného k vypláchnutí válce), bylo nutné, aby se výfukové kanály otevíraly dříve, než vyplachovací. K tomu je možno dospět dvěma způsoby: nesouosým umístěním výfukových a vyplachovacích kanálů. Je třeba si uvědomit, že vzájemný pohyb každého z pístů je kinematicky vázán výše popsaným čelním soukolím. Proto ke splnění podmínky dřívějšího otevírání výfukových kanálů je nutné, aby výfukové kanály byly blíže ke středu válce, než vyplachovací. Dvojice kanálů tedy není umístěna symetricky a píst (u motoru Jumo 205 horní píst) svým pohybem otevírá výfukové kanály dříve, než spodní píst vyplachovací kanály. Takto konstruované válce s kanály ovšem nelze přeplňovat. To je pro letecký motor velice důležitá nevýhoda, proto se konstrukce s nesouosým umístěním kanálů neprosadila. Druhou možností je souosé umístění kanálů s pootočenými klikami. Aby bylo možno odstranit nevýhodu nemožnosti přeplňování těchto motorů, byla u motoru Jumo 205 použita konstrukce s navzájem pootočenými klikami jednotlivých válců. Je tedy zřejmé, že horní píst (ovládající výfukové kanály) a dolní píst (ovládající vyplachovací kanály) jsou vůči sobě (v klikách) pootočeny o celkem 9 st. (každý o 4,5 st. v dolní úvrati). Tím bylo zajištěno, že horní píst motoru otevíral a rovněž zavíral výfukové kanály dříve, než byly otevírány a zavírány vyplachovací kanály. Tímto konstrukčním opatřením byl zajištěn jednak dostatečný tlakový spád při pracovním zdvihu a rovněž možnost přeplňování, neboť výfukový kanál byl v době otevřených vyplachovacích kanálů již uzavřen. To umožňovalo válec (a tedy celý motor) přeplňovat. Vstřikování motorové nafty bylo realizováno dvěma vstřikovacími čerpadly s tryskami (každé čerpadlo mělo dvě vstřikovací trysky) umístěných z boku do spalovacího prostoru. Vstřikovací čerpadla byla řízena vačkou umístěnou podélně v polovině výšky motoru. Pohon vačkové hřídele byl odvozen od středního kola vlevo umístěného soukolí.

Písty se štítem

Písty motoru byly z hlediska konstrukce rovněž značně odlišné. To bylo dáno zejména výrazně odlišnými tepelnými a tlakovými poměry u vznětových motorů. Z více zdrojů vyplývá, že právě písty byly hlavním „kamenem úrazu“ všech leteckých vznětových motorů. Z řezu pístem motoru Junker Jumo 205 je zřejmé, že se ve srovnání s zážehovými motory značně liší. Největší rozdíl je na hlavě pístu. U motoru Jumo 205 byla použita dost zvláštní konstrukce „ohnivzdorného“ krytu vlastního pístu. Ten byl přišroubován celkem čtyřmi šrouby do vlastního pístu a tvořil dodatečný tepelný štít. Jeho jediným úkolem bylo udržet teplotu samotného pístu v přijatelných mezích. V horní části pístu byly celkem čtyři kroužky, ale na tepelném štítu je další kroužek ve tvaru písmene L. Další dva pístní kroužky byly ve spodní části pístu (stírací). Důvody tepelných problémů pístů vznětových motorů je možno hledat zejména v těchto důvodech: A) větší hustota plynů v horní úvrati (z důvodu většího kompresního poměru) vede k výrazně vyššímu přestupu tepla z plynů do pístu. B) větší deformace pístů vznikající tlakem plynů (který je vyšší než u zážehových motorů) vede k tomu, že je nutná větší vůle mezi pístem a vložkou válce (válcem). Tím se zhoršuje odvod tepla z pístu do válce a rovněž se zvyšuje průnik plynů ze spalovacího prostoru kolem pístů. To opětovně zvyšuje teplotu pístů. C) často složitější tvary dna pístů, které způsobují větší styk pístu s plyny. Konstruktéři motoru Jumo 205 se tedy rozhodli pro použití „ochranného štítu“ na hlavě pístů. Ten byl z materiálů schopných odolat vyšším teplotám, než vlastní píst. Přesná konstrukce tohoto štítu byla dána dlouhým postupným vývojem a jeho spolehlivost byla údajně vysoká. Jeho použití ovšem způsobilo vyšší hmotnost pístů a tedy vyšší dynamické namáhání. U motoru Jumo 205 byl použit jednostupňový jednorychlostní odstředivý kompresor s mechanickou vazbou od klikového hřídele. Kompresor byl běžné konstrukce, bez odlišností. Zde je nutno zmínit jednu důležitou věc. Dvoudobé letecké vznětové motory pracovaly v tzv. chudých směsích, tedy s přebytkem vzduchu a také s jeho velkou spotřebou na vyplachování válců. To způsobovalo, že požadavek motoru na dodávky objemu plnícího vzduchu z kompresoru byl u těchto motorů značně vyšší. Při použití stejného kompresoru, jako u podobného zážehového motoru, je tedy jeho účinnost oproti zážehovému motoru značně nižší. Tento fakt a také výhodnější nižší teplota výfukových plynů přímo vybízejí k použití turbodmychadla. To bylo ovšem použito až u dalších vývojových verzí.

Převzato z časopisu

Fotogalerie