Diesel – nowa jakość w lotnictwie

Silnik wysokoprężny nigdy nie doczekał się szerokiego zastosowania w lotnictwie. Szczytowym okresem jego użycia jako napędu samolotów była II wojna światowa. W owym czasie silniki tego typu najchętniej były stosowane przez konstruktorów z Niemiec i ZSRR.

Jednakże biorąc pod uwagę wielkość produkcji silników lotniczych w latach 1939 – 45 należy przyznać, że silnik Diesla zaistniał wówczas jedynie symbolicznie.

Podstawowym tego podwodem była duża masa wysokoprężnych jednostek napędowych. Brak lotniczych tradycji spowodował, że, odmiennie niż w przypadku silników benzynowych, brak było wyrafinowanych rozwiązań technicznych i technologii, które mogłyby obniżyć masę diesli do akceptowalnego poziomu.

Od tamtego czasu w konstrukcjach silników – i to nie tylko lotniczych – dokonał się olbrzymi postęp. Zastosowanie nowych technologii, wynalezienie lekkich stopów, z których można odlewać korpusy i komputerowe sterowanie wtryskiem paliwa zmieniło diametralnie osiągi współczesnych silników wysokoprężnych. Najlepiej jest to widoczne w przypadku samochodów osobowych. Stosowane do ich napędu już od ponad dziesięciu lat silniki Diesla dorównują jednostkom benzynowym jeśli chodzi o osiągi, a przy tym zachowują swoje dawne zalety: większą żywotność i niższe zużycie paliwa. Znamienne jednak, że rewolucja jaka dokonała się przez ostatnie lata w silnikach samochodowych nie została zauważona przez przemysł lotniczy. Mimo nie malejącego zapotrzebowania na nowe technologie i materiały, w tej dziedzinie lotnictwo pozostało bardzo konsewartywne.

TAE przypomina o dieslu

Dziś wydaje się jednak, że dzięki niewielkiej niemieckiej firmie Thieler Aircraft Engines, a zwłaszcza jej oddziałowi z Lichtensteinu, może dokonać się w przemyśle lotniczym mała rewolucja. Inżynierowie z tego przedsiębiorstwa „przypomnieli” producentom zespołów napędowych o istnieniu silnika Diesla. Do tej pory TAE zajmowała się produkcją części do silników samochodowych, zwłaszcza maszyn sportowych. Teraz postanowiono wykorzystać to doświadczenie w konstrukcjach napędów lotniczych. Firmie Thieler przyznano certyfikat dla pierwszego opracowanego przez nią lotniczego silnika wysokoprężnego – TAE 110 o mocy 81 kW (110 KM). Jak na silnik lotniczy nie jest to zbyt wielka moc, dlatego też konstrukcja ta znalazła zastosowanie głównie w samolotach ultralekkich. Warto przy tym zaznaczyć, iż był to pierwszy lotniczy silnik wysokoprężny certyfikowany po II wojnie światowej.

W oparciu o tę jednostkę firma opracowała również silnik TAE 125 o mocy nominalnej 92 kW (125 KM). Porównując dane na temat osiągów silników stosowanych obecnie do napędu samolotów lekkich, widać wyraźnie, że TAE 125 ustępuje znacznie silnikowi benzynowemu Lycoming O-320, który rozwija moc maksymalną wynoszącą 118 kW (160 KM).

samolot-z-silnikiem-diesla

O-320 jest obecnie jednym z najpopularniejszych zespołów napędowych stosowanych w samolotach sportowych. Okazuje się jednak, że dane producenta sobie, a życie sobie. Z prób przeprowadzonych przez inżynierów z TAE wynika, że silnik O-320 osiąga najwyższą moc przy 2700 obr/min, jednak zalecenia eksploatacyjne narzucone przez producenta ograniczają prędkość obrotową tego silnika do 2500 obr/min, a wówczas jego moc wynosi ok. 108 kW (146 KM). Do przeprowadzenia tych prób wykorzystano seryjny samolot Piper PA-28-161 nazwany Diesel Warrior. Najpierw zbadano jego osiągi z silnikiem Lycoming O-320, stanowiącym standardowy napęd tej maszyny, a później z silnikiem TAE 125.

Okazało się, że mimo mniejszej mocy samolot z silnikiem Diesla posiada krótszy rozbieg niż maszyna z silnikiem benzynowym. Należy jednak zauważyć, że Niemcy – dość tendencyjne – zastosowali dla silnika benzynowego śmigło dwułopatowe o stałym skoku, a w przypadku silnika wysokoprężnego trzyłopatowe śmigło stałoobrotowe o zmiennym skoku, które ma lepszą sprawność.

Mimo takiej „nierzetelności” okazało się, że niewielki niedobór mocy w porównaniu z jednostką benzynową można zredukować stosując śmigło o większej sprawności. Sceptycy mogliby powiedzieć, że takie samo śmigło można by zamontować na silniku benzynowym, co również poprawi osiągi – i mieliby rację. Do tego zagadnienia należy jednak podejść z innej strony, nie chodzi bowiem o uzyskanie jak największej mocy, ale o opracowanie zespołu napędowego, który przy zachowaniu takich samych osiągów zagwarantuje obniżenie kosztów eksploatacji samolotu.

Tanie latanie

Widać więc, że inżynierom z TAE udało się opracować silnik o osiągach tylko nieznacznie gorszych od jednostki benzynowej. Zatem jak wygląda kwestia ekonomiczności? Pod tym względem TAE 125 bije konkurenta na głowę.

Podczas prób Diesel Warriora z każdym z silników okazało się, że O-320 zużywa w czasie godziny lotu z prędkością przelotową 33 dm3 benzyny lotniczej.

Przy tej samej prędkości przelotowej, również przez godzinę, ten sam samolot z silnikiem Diesla zużywa tylko 17 dm3/h oleju napędowego. Z czystej kalkulacji ekonomicznej wynika, że jedna godzina lotu „na benzynie” kosztowała 58 euro (ok. 238 zł), a w przypadku silnika wysokoprężnego jedynie 17,5 euro (ok. 72 zł) – widać więc jak duże oszczędności daje nowy napęd. Niskie zużycie paliwa nie bierze się jednak tylko z wyższej sprawności jednostki wysokoprężnej.

Prawda jest nieco bardziej brutalna. Czterocylindrowy O-320 w układzie bokser ma pojemność skokową 5,2 dm3, podczas gdy czterocylindrowy rzędowy TAE 125 jedynie 1,7 dm3. Dodatkowo, do zmniejszenia zużycia paliwa istotnie przyczynił się elektroniczny układ sterowania silnikiem TAE-FADEC. W celu zapewnienia przy tak niewielkiej pojemności osiągów porównywalnych z silnikiem benzynowym konstruktorzy TAE 125 musieli zastosować turbosprężarkę. Skomplikowało to oczywiście budowę jednostki napędowej, ale przyniosło jeszcze jedną zaletę nowego silnika. W przypadku silników benzynowych bez doładowania wraz ze wzrostem wysokości lotu ich moc maleje – spadek ten ma w przybliżeniu charakter liniowy. W przypadku TAE 125 z turbodoładowaniem, spadek mocy wraz ze wzrostem wysokości ma korzystniejszy przebieg i dla wysokości około 4000 m jest mniejszy, zaś do około 2000 m moc w zasadzie jest stała. Choć dla wysokości H=0 samolot z napędem benzynowym posiada niewielką przewagę nad Dieslem, to w locie na większych wysokościach to właśnie silnik wysokoprężny jest lepszy.

Z racji swoich własności silnik Diesla potrzebuje pewnych dodatkowych elementów, aby dorównać silnikowi benzynowemu, jeżeli chodzi o parametry wyjściowe. O sprężarce wspomnieliśmy wcześniej. Innym problemem jest mniejsza prędkość obrotowa. Istniejące śmigła są skonstruowane tak, aby można je było montować bezpośrednio na wale silnika benzynowego. Ich aerodynamika jest dopracowana w taki sposób, aby maksymalna sprawność zespołu śmigło-silnik była osiągana w zakresie optymalnych prędkości obrotowych silnika benzynowego – w przypadku mniejszej prędkości obrotowej oznacza to dużą utratę ciągu. Można by oczywiście opracować śmigło dla mniejszych prędkości obrotowych, ale pociągnęłoby to za sobą lawinowy wzrost kosztów. Konstruktorzy z TAE postanowili więc zastosować przekładnię zwiększającą obroty wału śmigła w porównaniu z obrotami wału korbowego silnika. Musiało to oczywiście pociągnąć za sobą wzrost masy całego zespołu. Okazało się jednak, że cały silnik z turbosprężarką, przekładnią i wszystkimi innymi agregatami i tak jest lżejszy o 3 kg od Lycominga O-320 z analogicznym osprzętem – masa suchego silnika TAE 125 ze wszystkimi agregatami mieszczącym się w komorze silnikowej wynosi 184 kg. Ponadto okazało się, że pomimo mniejszej prędkości obrotowej poziom drgań silnika wysokoprężnego nie jest w zauważalny sposób większy, niż w przypadku jednostki benzynowej.

Niebagatelną zaletą silnika Diesla jest jego żywotność. Podczas normalnego okresu eksploatacji TAE 125 nie wymaga przeprowadzania żadnych remontów, jednakże po tym czasie należy wymienić cały silnik. Obecnie wykazano podczas prób, iż żywotność TAE 125 wynosi 2400 h, lecz wyniki kolejnych prób wskazują na to, że bez problemu uda się ten okres wydłużyć do 3000 h. Wymiana całego silnika jest oczywiście bardziej kosztowna niż jego remont, ale wspominany przez nas wielokrotnie Lycoming O-320 musi przechodzić remonty co 1500 h, a oszczędności poczynione w czasie eksploatacji silnika wysokoprężnego z nawiązką rekompensują wyższe koszty remontu.

samolot-diesel

Co najważniejsze – rozwiązany jest również problem zaopatrzenie w paliwo. Wprawdzie przechowywanie na lotniskach oleju napędowego wiąże się z dodatkowymi komplikacjami, ale na szczęście okazuje się, że lotnicze silniki Diesla mogą spalać również naftę lotniczą JET A1. Paliwo to jest stosowane w silnikach odrzutowych i turbowałowych (te ostatnie są bardzo popularne jako napęd śmigłowców). W związku z tym przestaje istnieć cały szereg problemów związanych z infrastrukturą lotniskową. Ponieważ olej napędowy i nafta lotnicza są podobnymi frakcjami pochodnymi ropy naftowej, przejście z jednego paliwa na drugie nie wymaga żadnych regulacji silnika – obydwie substancje mogą być używane zamiennie.

Moda na Diesla?

Napęd wysokoprężny zaczyna cieszyć się coraz większym zainteresowaniem. Wprawdzie obecnie firma TAE opracowała modyfikacje jedynie dwóch samolotów: Pipera PA-28 i Cessny 172, należy jednak przypuszczać, że w miarę wzrostu zainteresowania użytkowników gama przebudowywanych maszyn ulegnie powiększy się.

diesel

Co warte uwagi, pojawiają się również nowe konstrukcje samolotów lekkich napędzane silnikami Diesla. Austriacka firma Diamond produkuje samoloty DA-40 Diamond Star, które opcjonalnie można wyposażyć w wysokoprężne zespoły napędowe. Co ciekawe, wersja z silnikiem Diesla jest znacznie lżejsza od „benzynowej”. Ta ostatnia jest wprawdzie wyposażona w silnik Lycoming O-360 o mocy maksymalnej 132 kW (180 KM), ale powoduje to jednocześnie większe zużycie paliwa. Wprawdzie ostatecznie konstruktorzy zdecydowali się na zmniejszenie pojemności zbiorników paliwa w wersji napędzanej silnikiem TAE 125, lecz nawet wówczas maszyna ta dysponuje większym zasięgiem niż jej benzynowy odpowiednik (nawet jeśli posiada dodatkowe zbiorniki paliwa). Wersja DA-40-180 napędzana silnikiem benzynowym, zabierając 200 dm3 benzyny przebywa dystans 1374 km, podczas gdy wersja DA-40TDI napędzana silnikiem TAE 125 w wersji podstawowej – ze zbiornikami o pojemności 110 dm3 – posiada zasięg 1390 km z rezerwą na dalsze 45 minut lotu, a ze zbiornikami o pojemności zwiększonej do 155 dm3 może przelecieć 2037 km. Jest to najlepszy dowód na ekonomiczność napędu wysokoprężnego. Na marginesie warto nadmienić, że wersja z silnikiem Diesla jest tańsza od „benzynowej” o około 10%!

diesel-w-samolocie

Nie jest to bynajmniej ostatnie słowo firmy Diamond. Na tegorocznej wystawie lotniczej ILA 2002 w Berlinie odbyła się prezentacja jej „najmłodszego dziecka” – samolotu Diamond DA-42 Twin Star, napędzanego dwoma silnikami TAE-125. Producenci twierdzą, iż pod względem kosztów użytkowania Twin Star jest porównywalny z jednosilnikowymi maszynami z napędem benzynowym, dysponując jednocześnie znacznie lepszymi osiągami.

W ten oto sposób, dzięki inżynierom z firmy Thieler, silnik wysokoprężny nie tylko powrócił do lotnictwa, ale najprawdopodobniej pozostanie w nim już na stałe. Niewątpliwie w dobie rosnących cen paliw rachunek ekonomiczny skłoni użytkowników samolotów lekkich do szerszego korzystania z silników Diesla.

Share