Ebből én az első csoportba a lökettérfogatot és a fordulatszámot sorolom. Ennek az az oka, hogy ezt a két tényezőt leginkább a motor tervezésekor lehetett meghatározni és egy már gyártásban lévő motortípus esetén viszonylag nehéz volt megváltoztatni.

A második csoportba a feltöltést, az üzemanyag-minőséget és a töltetcserét sorolom. Ezekhez viszonylag könnyebb volt egy már meglévő motor esetében hozzá nyúlni vagyis leginkább ezzel lehetett fejleszteni egy már gyártásban lévő típus esetén. A mostani cikk leginkább az utóbbi csoportról szól.

Emellett szó lesz a repülőgépek sebességét meghatározó másik tényezőről az aerodinamikáról is.

Áttétel

A legegyszerűbb módszer egy repülőgépmotor magassági teljesítményének a növelésére az áttétel növelése volt. Az áttétel arra utal, hogy a kompresszor a motor fordulatszámának a hányszorosával járt.

A BMW 801 esetében, amikor átváltottak a 87 oktános verziókról a 100 oktános verziókra, akkor jelentős mértékben növelték az áttételt. Ez által a motor méretezési-magassága 1000 métert nőtt.

BMW-motoros Fw 190-es

Viszont az áttételt nem lehetett a végtelenségig növelni. Ennek az volt az oka, hogy túl nagy áttétel esetén a kompresszorlapátok elérték a hangsebességet, amely esetben már nem lehetett tovább fokozni az áttételt.

A britek a Merlin verzióit különböző áttételekkel gyártották. Az áttételek révén lehetséges volt különböző magasságra optimalizált Merlin verziókat készíteni. Ez a Junkers egyes motortípusaira is jellemző volt.

Átmérő

A Daimler-Benz sem az áttelt nem növelte, sem pedig nagyobb fokozatszámú kompresszort alkalmazott, hanem az átmérőt növelte. Az átmerő növelése révén kétfokozatú kompresszor nélkül is lehetett fokozni a magassági teljesítményt.

Az átmérő növelésének a korlátja az volt, hogy bizonyos teljesítmény-igényen túl nagyon megnőtt az átmérő, ami miatt a rendelkezésre álló hely korlátot jelenthetett.

A DB-motorok ezt úgy oldották meg, hogy a kompresszort nem a motor végére hanem a motor oldalára helyezték. Ez által lehetséges volt nagyobb átmérőjű kompresszort alkalmazni.

A második világháború időszakában a henger-elrendezést tekintve két motortípus volt, a csillagmotor és a V-motor. A csillagmotorok abból a szempontból előnyösebbek voltak, hogy nagyobb volt a motor átmérője, ami miatt a motor hátuljára nagyobb átmérőjű felöltő-rendszert lehetett illeszteni.

Az is igaz, hogy a Daimler sem csak az átmérőt növelte. A háború elején a 109-es motorja a DB 601 volt, de 1942-től kezdve felváltotta a DB 605. A két típus nagyon hasonló volt több jellemzőjét is tekintve, de az újabb motornak valamivel nagyobb volt a teljesítménye.

Ehhez a feltöltés tekintetében azt a fejlesztést lépték meg, hogy a kompresszor lapátjainak a számát 12-ről 16-ra növelték. Ez által az átmerő drasztikus növelése nélkül is nagyobb levegőáramot tudtak előállítani.

109-esek Afrika felett

Kétfokozatú feltöltő

A Rolls-Royce 1942-től kezdve kétfokozatú kompresszorral gyártotta a Merlin verziók jelentős részét. A kétfokozatú kompresszor révén jelentősen nőtt a motor magassági teljesítménye. Kétfokozatú kompresszor révén kisebb átmérővel is nagyobb teljesítményt lehetett elérni. A kétfokozatú-feltöltés révén a Merlin teljesítménye 30 ezer láb (9 ezer méter) magasságon megduplázódott.

Viszont a kétfokozatú feltöltő-rendszer a motor hosszát 175 centiről 225 centire növelte.

A német repülőgépmotor-gyártók közül a többfokozatú-feltöltést leginkább a Junkers alkalmazta.

Amúgy abból a szempontból mindenképpen a kétfokozatú-feltöltés volt az út, hogy sem az átmérőt, sem pedig az áttételt nem lehetett a végtelenségig fokozni. Egyfokozatú feltöltéssel nagyjából 8 ezer méteres magasságig lehetett a feltöltést biztosítani. Annál nagyobb magasság esetén ajánlott volt többfokozatú-feltöltést alkalmazni.

A németek ezt valószínűleg azért nem látták egy ideig problémának, mert a német vadászgépeknek az volt a taktikája, hogy 6 ezer méteren repültek és onnét csaptak le az ellenséges repülőgépekre az őrjáratok során. Ahhoz pedig az egyfokozatú-feltöltés is elég volt.

Viszont az amerikaiak 43-tól kezdve már 9 ezer méteren repültek be a légtérbe a turbófeltöltős P-47 vadászgépeikkel.

Amúgy a kétfokozatú-feltöltésben nem a Merlin volt az első repülőgépmotor. Ennek az volt az oka, hogy az amerikaiak sokkal korábban elkezdtek foglalkozni ezzel a fejlesztéssel. A Merlin igazi innovációja nem az volt, hogy azon volt először kétfokozatú-feltöltő, hanem ahogyan megvalósították.

A kétfokozatú-feltöltéssel általában az volt a probléma, hogy gépészeti szempontból bonyolult volt megvalósítani, ami jelentősen növelte a repülőgépmotorok méretét és tömegét. A Merlin-en viszont úgy valósították meg a kétfokozatú-feltöltőt, hogy a két fokozatot egy közös tengely hajtotta, ami révén a két fokozatot egymáshoz nagyon közel helyezhették el. Ez által a Merlin-nek úgy nőtt a magassági teljesítménye, hogy nem nőtt meg a motor mérete súlyosan, ami miatt rászerelhető lett a Spitfire orrára.

Ez a megoldás amúgy termodinamikai szempontból nem volt a legtökéletesebb, mivel hogyha a fokozatokat külön tengelyről hajtották volna, akkor jobb lett volna a teljesítmény. Az által, hogy a két fokozat közös tengelyen volt, a feltöltő-rendszer tengerszinten a szükségesnél jobban leszívta a motort. Viszont összességében egy kivitelezhető és hatásos fejlesztés volt.

A BMW kétfokozatú feltöltőt a 801-es R verziójára akart szerelni. Viszont az a Merlin-el ellentéteben nem kétsebességes, hanem négysebességes lett volna és a két fokozatot két külön tengelyről hajtották volna. A négy sebesség úgy jött volna össze, hogy a két fokozat egymástól függetlenül működtethető lett volna és mindkét fokozaton lett volna két sebesség. Tengerszinten csak az egyik fokozat működött volna. Ez által a R feltöltő-rendszere nem szívta volna le a motort felszálláskor fölöslegesen. Viszont ez egyértelműen egy sokkal bonyolultabb fejlesztés lett volna.

Burkolt kompresszor-járókerék

A német gyártók közül a Junkers viszonylag jól fejlődött a világháború alatt a feltöltés tekintve. Nekik már a háború kitörésekor kétsebességes szabályozásuk volt és utána is vezettek be fejlesztéseket a területen. Az egyik a burkolt járókerék volt.
A kompresszor járókerékének a beburkolásával a németek már a világháború előtt kísérleteztek, mivel javította a feltöltés termodinamikai hatásfokát. Ezt a fejlesztést a Junkers a Jumo 211F-en vezette be.

Hozzá tesszük, hogy ez ugyan jelentős fejlesztés volt, de a Jumo 211 alapvetően bombázómotor volt, vagyis nem alkalmazták vadászgépeken.

A Junkers emellett később a Jumo 211-en bevezette a intercoolert is, ami növelte a teljesítményt is.

Turbófeltöltő

Egy további lehetőség a feltöltés fejlesztésére a turbófeltöltő volt. Egy kompresszoros motor esetében a motor feltöltéséhez szükséges teljesítményt a motor tengelyéről veszik le, vagyis a hengerek által kifejtett munkából vesz el a kompresszor erőt. Ezzel szemben egy turbófeltöltő esetén a feltöltés teljesítményét a kipufogógázok energiatartalma biztosította.

Ennek következtében egy turbósított motor a kompresszoros verzióhoz képest úgy is nagyobb teljesítményt tudott kifejteni, hogy maga a turbó nem állított elő nagyobb nyomást, mivel a teljesítmény növekedésének az oka az volt, hogy a turbó nem szívta le a motort.

Ez a különbség tengerszinten általában nem volt túl nagy, de a magasság növekedésével általában nőtt. Ennek az volt az oka, hogy tengerszinten a feltöltéshez általában nem volt szükség a kipufogógázok teljes energiatartalmára, ami miatt tengerszinten a kipufogógázok többsége távozott a szabadba. Viszont ahogyan a repülőgép egyre magasabban repült, úgy a nyomás biztosításához egyre nagyobb teljesítmény kellett a feltöltő-rendszer működtetésére. Ezért a magasság növekedésével nőtt a különbség.

A turbófeltöltés leginkább az amerikaiakra volt jellemző, mivel nekik volt ipari hátterük hozzá. Emellett a háború folyamán a BMW kifejlesztette a 801-es turbós verzióját, a BMW 801 TJ-t, amit 1944-től alkalmaztak.

A turbónak amúgy volt egy olyan, igen jelentős hátránya, hogy növelte a repülőgépmotorok és velük együtt a repülőgépek dimenzióit. Erre két jó példa az amerikai légierő két turbófeltöltős vadászgépe, a P-38 Lightning és a P-47 Thunderbolt. A Lightning kétmotoros volt, ami miatt volt hely arra, hogy beépítsék a turbóeltöltő-rendszert. A P-47 egymotoros volt és a turbófeltöltő-rendszert csak úgy lehetett megoldani, hogy a világháború legnagyobb méretű és tömegű egymotoros vadászgépe lett.

A kép jól illusztrálja, hogy a komplex turbófeltöltő-rendszer a P-47-es vadászgép térfogatának az igen jelentős részét kitöltötte és túlnyúlt még a pilótafülkén is.

A németeknek alapvetően az volt a problémájuk a turbókkal, hogy sokáig nem tudtak a turbinalapátokhoz hőálló-ötvözetek előállítani, aminek az volt az oka, hogy a szövetséges blokád miatt nem fértek hozzá a szükséges nyersanyagokhoz.
A BMW ezt a problémát a háború folyamán úgy kerülte meg, hogy kifejlesztették a levegővel hűtött turbinalapátokat. Ez által a kritikus nyersanyagok nélkül is képessé váltak turbófeltöltőket építeni. Így 1944-ben alkalmazásba került a BMW 801 turbófeltöltős verziója, a TJ, egy másik turbós verzió, a TQ pedig fejlesztés alatt volt.

A TJ felszálló-teljesítménye 1810 lóerő volt, a TQ esetében pedig ez 2270 lóerő volt.

A britek szintén nem alkalmazták a turbófeltöltést széles körben, pedig nekik meg lett volna rá a lehetőségük. Ennek az volt az oka, hogy amikor a brit légierő megkereste a Rolls-Royce-t, hogy építsék meg a Merlin turbós verzióját, akkor nemleges választ kaptak. Ennek az volt az oka, hogy a cég szakemberei rámutattak arra a tényre, hogy a turbós verzió nem fért volna rá a Spitfire orrára. Ezért inkább kifejlesztették a kétfokozatú-feltöltést, ami sokkal praktikusabb volt.

A BMW 801 turbós verziója, a TJ abból a szempontból előnyös volt a többi turbós motorhoz képest, hogy nagyon kompakt volt. Ennek az volt az oka, hogy a turbót úgy szerelték rá a motorra, hogy a turbó hossztengelye nem párhuzamos volt a motor főtengelyével, hanem arra majdnem merőleges volt. Ezért a turbó a motor hosszát csak fél méterrel növelte. Ezért a BMW 801 TJ a legkompaktabb turbós motor lett.

Az utóhűtő és dús-keverék

A feltöltést, mint ahogyan a cikk fenti részében olvasható többféle módon is lehetett fokozni. Viszont volt egy tényező, ami korlátozta, hogy mennyire lehetett a levegőt összenyomni, ami a termodinamika, pontosabban a felmelegedés volt. Minél jobban összenyomjuk a levegőt, az annál jobban felmelegszik.

Ezért egy bizonyos szint után a levegőt vissza kellett hűteni, ha tovább akarták fokozni a nyomást. Erre több lehetőség is volt, amiből az egyik az intercooler volt. Ezt a fejlesztést leginkább az amerikai vadászgépeken alkalmazták és lehetővé tette, hogy nagyobb nyomással töltsék a levegőt az amerikai repülőgépmotorokba.

Európában ezt a fejlesztést leginkább a brit Rolls-Royce és a német Junkers alkalmazta.

A kompresszoros és a turbós motorok abban a tekintetben jelentős mértékben különböztek, hogy egy kompresszoros motorhoz nem volt muszáj az intercooler, de egy turbóshoz igen. Ennek az volt az oka, hogy a turbófeltöltő az átáramló forró kipufogógázok miatt átmelegedett, ami miatt a kilépő levegőáramot át kellett vezetni egy intercooleren.

Az intercooler az egyik oka volt annak, hogy egy turbós motor miért volt nagyobb, mivel az intercooler jelentős helyt igényelt.

Egy másik módszer, amivel lehetett hűteni a keveréket, az a dús-keverék (gazdag-keverék) alkalmazása volt. Ennek a fejlesztésnek az volt a lényege, hogy a levegőbe több üzemanyagot adagoltak, mint ami ahhoz kellett, hogy a keverék elégjen, vagyis volt üzemanyag-fölösleg. Ennek az volt az előnye, hogy ez által az elpárolgó üzemanyag hűtötte a keveréket, ami lehetővé tette a nyomás növelését.

Ezt a fejlesztést az európai fronton talán legelőször a Rolls-Royce Merlin alkalmazta. Amikor a Merlin esetében átváltottak a 87 oktános üzemanyagról a 100 oktános üzemanyagra, akkor a teljesítmény közel 30 százalékot nőtt. Viszont a növekedés többségét nem az adta, hogy jobb minőségű üzemanyagra váltottak, hanem valójában az, hogy a motor dús-keveréken üzemeltették.

Supermarine Spitfire

A dús-keverék a német repülőgépmotorokra nem volt jellemző, kivéve a BMW 801-et.

Üzemanyag-minőség és vízbefecskendezés

Ugyan kicsit eltér a fő témától, de az ilyen célú fejlesztéseknek jelentős elősegítője volt az üzemanyag minősége. Ugyan a kompresszor-fejlesztés az üzemanyag-gyártás két nagyon eltérő iparág, de mindkettő alapvetően azt tette lehetővé, hogy a hengerekbe a levegőt a lehető legnagyobb nyomással lehessen tölteni, csak más megközelítés volt a két fejlesztés alapja.

Amikor a BMW 801 esetében átálltak a 100 oktános üzemanyagra, akkor a kompresszor méretezési magasságát megnövelhették 1000 méterrel. Ennek az volt az oka, hogy a jobb minőségű üzemanyagnak jobb a kompressziótűrése és ezért jobban össze lehet nyomni.

Egy másik fejlesztés a vízbefecskendezés volt. Ez hűtötte a levegőt, a vízpára párolgása lévén. A vízbefecskendezés nagyobb teljesítmény-növelést tett lehetővé, mint az intercooler, de cserébe korlátozott volt a repülőgép által szállítható víz (pontosabban: keverék) menyisége.

A vízbefecskendezést talán a németek alkalmazták a legszélesebb körben, mégpedig a 109-es DB 605 repülőgépmotorjain, amin a felszállóteljesítményt 1475 lóerőről 1800 lóerőre növelte. Viszont a vízbefecskendezéssel volt egy olyan probléma, hogy zabálta a motor élettartamát.

A vízbefecskendezés révén a 109-es néhány percig képes volt a Spitfire későbbi, Griffon-motoros verzióihoz hasonló teljesítményre, annak ellenére, hogy a Griffon-nak nagyobb volt a lökettérfogata és jobb üzemanyaga volt.

Ebben amúgy nem csak a DB 605 teljesítménye játszott szerepet, hanem az is, hogy a Messer a nyugati vadászgépekhez képest viszonylag kicsi volt. A háború második felében a Messer felszállósúlya általában több mázsával, bizonyos esetekben akár több tonnával kisebb volt, mint a brit vagy az amerikai vadászgépek esetében. Ez leginkább a Messer emelkedő-képességében látszódott meg: a 109-es gyorsabban tudott tengerszintről 6000 méterre emelkedni, mint a P-51 Mustang vagy a P-47 Thunderbolt.

A legjobb emelkedő-képessége viszont a Spitfire-nek volt. A Spitfire-nek ugyan valamivel nagyobb volt a felszállósúlya, mint a Messer-nek, de a nagy szárnyfelület és a jó motor jobb emelkedő-képességet adott neki.

A vízbefecskendezést a németek mellett leginkább az amerikaiak alkalmazták, bár arról nincsen információm, hogy milyen gyakorisággal és mikor. Az amerikaiak a 18 hengeres, léghűtéses Double Wasp repülőgépmotorokon alkalmazták a vízbefecskendezést, aminek a teljesítményét ez a módszer 1850-2000 lóerőről 2300-2500 lóerőre növelte.

Amennyiben tovább tartott volna a világháború úgy a Rolls-Royce Merlin-en is alkalmazták volna a vízbefecskendezést, mivel már máshogy nem igazán tudták fokozni a teljesítményt. Vízbefecskendezéssel a Merlin a teszteken 2600 lóerőt ért el (bár a fordulatszámot is megnövelték 3000/perc-ről 3250/perc-re).

GM-1 teljestményfokozó-rendszer

A kompresszorok tekintetében nem a német vadászgépek voltak a legjobbak, de volt egy olyan fejlesztésük ami ezt ellensúlyozta. Ez volt a GM-1 teljesítményfokozó-rendszer.

A GM-1-et 1940-től alkalmazták a 109-esen és igen jelentős mértékben növelte a magassági teljesítményt. Van olyan forrás, amiben úgy fogalmaztak, hogy amikor a Messer bekapcsolta a nitrót, akkor „állva hagyta a Spitfire-t”.

Ennek a fejlesztésnek az volt lényege, hogy ahelyett, hogy a motorba kivülről töltötték volna be a levegőt, a GM-1 révén azt a repülőgépben tárolt tartályokból pótolták, N2O formájában. Ez által lehetséges volt a motor teljesítményét extrém nagy magasságon több száz lóerővel növelni.

Ezt a fejlesztést leginkább a 109-es magassági-elfogóvadász verzióin alkalmaztak. Viszont a háború folyamán nyilvánvalóvá vált a rendszer hátránya, vagyis, hogy jelentős mértékben növelte a repülőgép súlyát és tengerszinten nem növelte a motor teljesítményét.

Erhöhte Notlesitung

A németek a BMW 801 esetében más módon fokozták a motor teljesítményét: 1944-ben a BMW 801-re bevezették az Erhöhte Notleistung (megnövelt szükségteljesítmény) üzemmódot.

A 801-es egy tipikusnak számító, kétsebességes, folytásos-szabályozású mechanikus-feltöltővel rendelkezett. Ez a feltöltő-rendszer szükségteljesítmény esetén 1.42 ata (technikai atmoszféra) nyomást állított elő a hengerekben.

Amikor bevezették az új üzemmódot, akkor a nyomás tengerszinten 1.58 ata-ra, közepes magasságon pedig 1.65 ata-ra nőtt. Ebből az látszik, hogy a feltöltés fokozására a németek azt a jelenséget használták ki, hogy minél magasabban repült a repülőgép, annál hidegebb levegőt szívott a motor, ami miatt közepes magasságon nagyobb nyomást lehetett előállítani, mint tengerszinten.

A BMW 801 amúgy nem a feltöltés miatt volt összemérhető teljesítményt tekintve a Merlin-el, hanem inkább a lökettérfogata miatt. A 801-es lökettérfogata másfélszerese volt a Merlin lökettérfogatának. Míg a Merlin egy 12 hengeres V-motor volt, addig a 801-es egy 14 hengeres csillagmotor.

Más paramétereit tekintve viszont a Merlin fejlettebb volt a 801-esnél. A Merlin-nek nagyobb volt a fordulatszáma és jobb volt a feltöltése. Emellett a Merlin dús-keveréken üzemelt, ami nem volt jellemző a német repülőgépmotorokra (bár a 801-es D-2 verzióján alkalmazták).

A 801-esnek még a javára lehet írni, hogy a nagy lökettérfogata ellenére egy nagyon kompakt motor volt. Míg a Merlin lökettérfogata 27 liter volt és a késői verziók hossza 225 centiméter volt, addig a BMW 801 lökettérfogata 41.8 liter volt, de úgy, hogy a hossza rövidebb volt, mint a Merlin esetében, vagyis 205 centiméter. Ez hozzájárult ahhoz, hogy az Fw 190-es rövidebb volt, mint a Spitfire.

Kompresszióviszony

Egy feltöltött belsőégésű-motorban a hengerben lévő keverék nyomását két folyamat növelte. Az egyik maga a feltöltés volt. A másik viszont a henger sűrítési folyamata volt.

A német és a brit repülőgépmotorok közül a brit repülőgépmotorok a nagyobb töltőnyomás- kisebb kompresszióviszony kombinációt alkalmazták. Az tengerszinten nagyobb teljesítményt tett lehetővé.

A német repülőgépmotorok az alacsonyabb töltőnyomás – nagyobb kompresszióviszony kombinációt alkalmazták. Ez azt jelenti, hogy a német repülőgépmotorok esetében a nyomás növekedésnek a nagyobb része esett a hengeren belülre. Ez egyszerűbb feltöltő-rendszerrel is jobb magassági teljesítményt tett lehetővé.

A britek a Merlin esetében az egyfokozatú kompresszorral felszerelt verziók esetében nagyjából 6 ezer méteres magassági tudták tartani a töltőnyomást. A németek egyfokozatú kompresszorral ezzel szemben nagyjából 8 ezer méterig tudták tartani a töltőnyomást. Erre jó példa a Daimler-Benz DB 605 AS.

Sebességek száma

Az előbbieken túl egy további kérdés volt az, hogy a motornak hány sebessége volt, vagyis hogyan volt megoldva a feltöltés szabályozása. A második világháború idején a feltöltés a legtöbb, fejlettnek számító repülőgépmotor esetében kétsebességes mechanikus-feltöltővel (kompresszorral) volt megoldva.

Ez úgy működött, hogy amikor a repülőgép felszállt, akkor a kompresszor az alacsonyabb sebességben volt. Viszont ahogyan emelkedett a repülőgép, úgy a légnyomás csökkent, ami miatt a motor teljesítménye is csökkenésnek indult egy bizonyos magasság felett. Ezért a motor átváltott a második sebességbe.

Viszont amikor a motor átváltott a második sebességbe, akkor túl sok levegőt töltődött volna a motorba. Ezért kellett a felöltő-rendszert lefojtani. Innen ered a fojtásos-szabályozás név. Ahogyan a repülőgép tovább emelkedett, úgy csökkent a fojtás mértéke és a méretezési-magasság elérésekor a fojtás megszűnt.

Ez megvalósítható volt, de a fojtás jelentős teljesítmény veszteséget tudott okozni. Ennek következtében elvileg ideálisabb volt, hogyha a motornak több sebessége volt. A sebességek számának a növelése viszont gépészeti szempontból bonyolult volt és egy soksebességes motor esetében a sebesség váltását biztosító áttételek is jelentős helyet tudtak foglalni.

1941-ben, amikor megjelent a Focke-Wulf 190-es, akkor a BMW 801-es kétsebességes volt. Ez előnyt jelentett a Merlin-nek a Spitfire-ön alkalmazott verzióihoz képest, mivel a Merlin ezen verziói 1939-től 1942-ig egysebességesek voltak.

Ez a BMW 801 számára leginkább tengerszinten biztosított előnyt, mivel az egysebességes Merlin-verzióknak tengerszinten jelentős volt a fojtási-vesztesége. A Rolls-Royce sokáig gépészeti okok miatt nem tudta megoldani, hogy a Merlint kétsebességessé fejlesszék. Ezért a francia Farman cégtől vették át a kétsebességes áttételt biztosító technikát.

A Rolls-Royce Griffon már eleve kétsebességes volt, bár csak viszonylag későn, 1943-ban jelent meg. Annak ellenére, hogy kétsebességes volt, a Griffon-t nem nagy magasságra specializálták, mivel a Focke-Wulf 190-es volt a probléma, ami elsősorban 6000 méter alatt volt erős.

A háború végén a Junkers már jelentős számban gyártott 3-sebességes feltöltővel felszerelt repülőgépmotorokat. Ennek következtében a Jumo-motoroknak volt egy sebessége felszálláshoz, egy közepes magasságra, egy pedig nagy magasságra.

A szabályozás szempontjából az egyik legfejlettebb motorgyártó a Daimler-Benz volt. Ennek az volt az oka, hogy a Daimler-Benz nem fojtásos-szabályozású, hanem fordulatszám-szabályozású motorokat gyártott. A fordulatszám-szabályozás révén a DB-motorok kompresszora nem egy vagy két, hanem sok-sebességes volt. Ez által kisebb volt a fojtási-veszteség és a motor a repülőgép emelkedésével egyenletesebb teljesítményt adott le.

A turbós motorok lényegében fordulatszám-szabályozásúnak voltak tekinthetőek. Ennek az volt az oka, hogy a turbó esetében a kipufogógázok szabályozásával folyamatosan tudták változtatni a turbó teljesítményét, ami révén a magasság növekedésével folyamatosan nőtt a fordulatszám.

A Rolls-Royce Merlin legerősebb egysebességes verziói az alacsony magasságra optimalizált „Cropped” verziók voltak. A „Cropped” verzióknak megrövidítették a kompresszor-lapátait, ami révén kevésbé növelték a keverék nyomását. Ez által kevesebb teljesítményt szívtak le a motorról ezen verzióknak a feltöltői, ami révén a nőtt a légcsavarra jutó teljesítmény és növelni lehetett a töltőnyomást is.

Viszont a Cropped verzióknak nagyon gyenge volt a magassági teljesítménye, mivel a magassággal gyorsan esett a töltőnyomás. A cropped verziókat a régi Spifire-verziók fejlesztésére használták.

Az amerikaiak ugyan leginkább a turbófeltöltésről voltak nevezetesek, de számos kompresszoros vadászgépet is gyártottak. Ilyen voltak a P-39 Airacobra, a P-40 Warhawk vagy a P-63 Kingcobra. Ezek sokkal kisebbek voltak, mint a turbófeltöltővel ellátott P-38 Lightning és a P-47 Thunderbolt, de a cserébe a magassági teljesítményük sokkal gyengébb volt.

Az amerikaiak által gyártott kompresszoros vadászgépek leginkább az Allison V-1710 repülőgépmotorral voltak hajtva. Ez alapvetően egy modern konstrukció volt, de volt vele egy olyan probléma, hogy a legyártott egységek többsége egysebességes volt. Ez jelentősen korlátozta a használhatóságát, ami miatt leginkább alacsony magasságon volt használható. Ezért az Amerikában gyártott kompresszoros vadászgépek jelentős része a keleti fronton kötött ki, mivel odaadták azokat az oroszoknak.
Ennek az volt az oka, hogy sem a légierő sem a gyártó nem akarta fejleszteni a kompresszort, mivel a légierőnek az volt az álláspontja, hogy abban az esetben, hogyha az Allison-t magassági feladatokra akarják majd használni, akkor majd ellátják turbófeltöltővel. A P-38 Lightning vadászgépekre került verziókkal ez is történt.

Viszont ezt némileg ellensúlyozta, hogy as Alisson-t többféle áttétellel gyártották, amik közül volt olyan, amit 25 ezer lábra méreteztek.

Töltetcsere

Az egyik tényező, ami korlátozta a belsőégésű motorok feltöltését és amit nem szoktak szigorúan a feltöltéshez sorolni, az a töltetcsere volt. A töltetcsere jelentősen korlátozta azt, hogy a milyen mennyiségű levegőt lehetett a motorba nyomni.

A Daimler-Benz és a Rolls-Royce repülőgépmotorok 4-szelepesek voltak, vagyis hengerenként két szívó és két kipufogó-szelepjük volt. Talán ez volt az ideális megoldás.

A Junkers-motorok 3-szelepesek voltak, vagyis hengerenként két-szívó és egy kipufogó-szelepjük volt. Ez hátrányos volt a 4-szelephez képest.

Ezen a téren a leginkább hátrányosak a korabeli repülőgépmotorok között a csillagmotorok voltak. A csillagmotorok esetében a motor szerkezeti kialakítása miatt nem igazán lehetett mást megvalósítani, mint hengerenként egy szívó- és egy kipufogó-szelepet. Ilyen volt többek között a BMW 801 is.

Ez alapján nem csoda, hogy a BMW 801 legerősebb, legalább prototípus szinten létező verziója, az F esetében a töltetcserét próbálták fejleszteni. Az F nagyobb kipufogó- és szívó-szelepeket kapott és gyorsabb nyíltak és záródtak a szelepek. Emellett a szelep-összenyitás intervalluma is nőtt.

Ezen a téren a DB egyik jelentős fejlesztése a szelep-összenyitás volt. A DB a háború alatt jelentős növelte a repülőgépmotorjain a szelep-összenyitás időtartamát. Ez által a hengerben kevesebb égéstermék maradt vissza és így nőtt a DB-motorok teljesítménye.

Lökettérfogat és fordulatszám

A német repülőgépmotorokra a nagyobb lökettérfogat – alacsonyabb fordulatszám kombináció volt jellemző. Ezzel szemben a brit repülőgépmotorokra az alacsonyabb lökettérfogat – magasabb fordulatszám kombináció volt a jellemző.
A brit megközelítésnek egyértelmű volt az előnye, vagyis kisebbek voltak a motor dimenziói. A német gyakorlat viszont abból a szempontból volt előnyösebb, hogy jobb volt a motor volumetrikus-hatásfoka.

Ennek az volt az oka, hogy magasabb fordulatszám esetén a feltöltő-rendszernek nehezebb volt a motort feltöltenie, mivel a szelepek rövidebb ideig voltak nyitva. Ezért alacsonyabb fordulatszám mellett elvileg jobb volt a motor volumetrikus-hatásfoka.

Viszont ez nem jelenti azt, hogy a németek nem készíttek volna nagyobb fordulatszámú repülőgépmotorokat. Például a míg az egyik legjobb német repülőgépmotornak, a BMW 801-nek 2700/perc volt a fordulatszáma, addig a Junkers Jumo 213-nak 3250/perc. A Merlin esetében ez az érték 3000/perc, a Griffon esetében pedig 2750/perc volt.

RR Merlin: a belső aerodinamika (Merlin XX)

A Rolls-Royce Merlin korai verziói a feltöltés szempontjából nagyon nem voltak ideálisak, amiket a fejlesztők is kiszúrtak. Ezért már elég korán elkezdték fejleszteni a Merlin feltöltő-rendszerének a belső aerodinamikáját.

Az új, optimálisabb felöltő-rendszer a Merlin XX-el jelent meg vadászgépeken, amit 1940-ben vezettek be. A Merlin XX révén a méretezési magasság 2000 ezer lábat nőtt többfokozatú-kompresszor nélkül is. Ehhez úgy alakítottk ki a feltöltő-rendszert, hogy azon belül a lehető legkisebb ellenállással tudjon a levegő áramlani. Ez a fejlesztés a Spitfire-ön a Merlin 45-el jelent meg.

Egy másik példa a belső aerodinamika fejlesztésére: a BMW 802

A második világháború idején a legtöbb repülőgépmotor kompresszora hátulról szívott és előre nyomott. Ez abból a szempontból nem volt előnyös, hogy jelentős aerodinamikai veszteségekkel járt, mivel a levegőnek 180 fokot kellett fordulnia.

A Daimler-Benz repülőgépmotorok esetében ez a helyzet valamivel jobb volt, mivel oldalról szívtak és előre nyomtak.

Viszont ami talán a legjobb innováció lehetett volna ebből a szempontból, az a BMW 802 lehetett volna. A 802-est úgy tervezték meg, hogy a hengerekbe nyomott levegőnek a lehető legegyenesebb útja legyen. Ehhez a kompresszort a hengerek elé helyezték el, ami révén a kompresszor elölről szívott és hátrafelé nyomott. Viszont a 802-es már nem került sorozatgyártásba.

Felületi terhelés

Eddig a cikk részeként leginkább arról volt szó, hogy hogyan lehetett a repülőgépmotorok teljesítményét növelni. Viszont most kicsit kitérünk a repülőgépekre is, azon belül pedig az egyik aerodinamikával kapcsolatos jellemzőre a felületi terhelésre.

Egy repülőgép esetében a felületi terhelést úgy kapják meg, hogy elosztják a repülőgép felszállósúlyát a szárnyfelülettel. Ez által megkapják az egységnyi szárnyfelületre jutó súlyt. Az alacsonyabb felületi terhelés elvileg nagyobb szolgálati csúcsmagasságot jelenthet, mivel a szárnyak nagyobb felhajtóerőt termelnek ebben az esetben. Emellett az alacsonyabb felületi terhelés szűkebb fordulást tehet lehetővé. A magasabb felületi terhelés viszont nagyobb sebességet jelenthet. Ennek az az oka, hogy ez kisebb szárnyfelületet jelent, ami révén a szárny kevesebb légellenállást okoz.

A brit repülőgépeknek a német repülőgépekhez képest alacsonyabb volt a felületi terhelése, ami miatt szűkebben tudtak fordulni. A német 109-esnek viszont magas volt a felületi terhelése, ami révén gyengébb motorral is nagyobb sebességet tudott elérni.

A Focke-wulf 190-esnek nagyon magas volt a felületi terhelése, ami hozzá járult ahhoz, hogy 1941-ben sokkal gyorsabb volt, mint a Spitfire mk. V..

Az amerikai vadászgépeknek a német vadászgépekhez hasonlóan szintén magas volt a felületi terhelése. Ezért nem tudtak szűken fordulni, de gyorsak voltak.

A nagyon magas felületi terhelés hozzá járult ahhoz, hogy a Focke-wulf 190-es zuhanórepülésben le tudta hagyni a legtöbb vadászgépet. Mivel a kicsi szárnyak kicsi légellenállást produkáltak, ezért amennyiben a fóka átment zuhanórepülésbe, úgy a legtöbb esetben nem tudták utolérni.

Összefoglalás

A fenti cikkből alapvetően az derül ki, hogy a háború kitörésekor a Daimler-Benz motorok a feltöltés oldaláról még előnyben voltak, mivel fordulatszám-szabályozású volt a feltöltő-rendszerük. A briteknek 1940-től kezdve viszont jobb üzemanyaguk volt, plusz 1941-ben a Merlin tovább lépett a feltöltő-rendszer belső aerodinamikájának a fejlesztésével, ami a Spitfire-ön a Merlin 45-el jelent meg.

A Daimler-nél is haladtak idő közben a fejlesztések: 1941-42 folyamán a Daimler többszörösére növelte a szelep-összenyitást, ami jelentősen növelte a Daimler-motorok volumetrikus-hatásfokát. Emellett a Daimler növelte a motorok kompresszió-viszonyát is.

1941-ben megjelent a Fock-Wulf 190-es, aminek kétsebességes feltöltője volt a Spitfire egysebességes Merlinjével szemben. Emellett az Fw 190-es BMW 801 motorjára a burkolat kivételesen szorosan illeszkedett, ami csökkentette a légellenállást. Ezen okokból 1941-ben az Fw 190-es sokkal gyorsabb volt, mint a Spitfire mk. V.

1942-ben a Spitfire előnybe került a magassági teljesítményt tekintve, mivel a Merlin 61-el bevetették a kétfokozatú kompresszort. Viszont tengerszinten az Fw 190-es továbbra is gyorsabb volt, jelentős részben az aerodinamika miatt (magas felületi terhelés = kicsi szárnyak és szorosan illeszkedő burkolat).

Emellett a Focke-Wulf 190-es a brit vadászgépek jelentős részével szemben még sokáig előnyben volt, mivel a britek az utolsó 1941-42-es gyártású Spitfire mk. V.-ösöket csak 1944-ben vonták ki a frontvonalból. Ennek az volt az oka, hogy a Spitfire gyártásnak az üteme nem tette lehetővé, hogy az állományt néhány hónap alatt kicseréljék a kétfokozatú-kompresszorokkal feltöltött verziókra. A Spitfire-nek a legnagyobb számban gyártott verziója az egyfokozatú kompresszorral szerelt mk. V. volt, a kétfokozatú kompresszorral szerelt Mk. IX.-ből jelentősen kevesebb készült.

A Spitfire IX.-et később a Merlin 66-al fejlesztették tovább. A Merlin 66 feltöltő-rendszere kétfokozatú volt, de a 61-eshez képest alacsonyabb áttétellel. Ez növelte a motor teljesítményét tengerszinten és közepes magasságon, mivel így a kompresszor kevesebb teljesítményt szívott le a motorról.

Az 1942-44 időszakban a Messer, mielőtt elkezdték volna alkalmazni hozzá a vízbefecskendezést, nem igazán volt kompetitív a Spitfire kétfokozatú verziójával, a Spitfire mk. IX.-el. Ekkoriban a Spitfire mk. IX tengerszinten és nagy magasságban is gyorsabb volt nála.

1943-ban megjelentek a turbófeltöltős amerikai P-38 Lightning és P-47 Thunderbolt vadászgépek az európai hadszíntéren. Ezek a turbó révén jó magassági teljesítménnyel rendelkeztek, bár mellette komplexek és drágák is voltak. A P-47 a második világháború legdrágább és legnehezebb egymotoros vadászrepülőgépe volt.

1944 elején a BMW 801-esen elkezdték alkalmazni a dús-keveréket, ami a töltőnyomást tengerszinten 1.42 ata-ról 1.65 ata-ra növelte. Emellett a 801-es újabb TU és TS verziói újabb légcsavarokat kaptak, amik nagy magasságban hatékonyabban hajtották a fókát.

Az 1944-45 időszakban az egyik legjobb szövetséges vadászrepülőgép a P-51 volt. Ahhoz egyrészt 150-es teljesítményszámú üzemanyagot alkalmaztak, másrészt aerodinamikailag fejlett volt, többek közt a lamináris szárnyak révén. A P-51-es azonos motorral, mint a Supermarine Spitfire, 40 km/ó-val gyorsabb volt a alacsonyabb légellenállás révén.

A lamináris szárnyak azt jelentették, hogy a szárnyak felületét úgy alakították ki, hogy repülés közben a szárnyak felültén áramló levegő áramlása nem váljon turbulenssé, vagyis lamináris maradjon. Ez jelentősen csökkentette a szárnyak által keltett légellenállást.

P-51 Mustangok

A P-51 ugyan gyors volt, de a Messer meredekebben emelkedett és szűkebben fordult, mivel egy tonnával könnyebb volt nála. A 190-es viszont nem tudott mit kezdeni a P-51-el azon kívül, hogy átment zuhanórepülésbe, amiben érvényesült a magasabb felületi terhelése és a nagy tömege.

1944-ben a németek széles körben elkezdték alkalmazni a vízbefecskendezést, ami révén a Messer DB 605 motorjának a felszálló-teljesítménye 1475 lóerőről 1800 lóerőre nőtt, amely okból a sebesség tengerszinten közel 70 km/ó-val nőtt. A Focke-Wulf 190-es új verziójának, a D-nek (Dora) a motorja a Jumo 213A-volt, aminek a felszálló-teljesítménye vízbefecskendezéssel 1750 lóerőről 2250 lóerőre nőtt.

1944-ben alkalmazásba került a BMW 801 turbós verziója, a BMW 801 TJ. Ez tengerszinten 1810 lóerőre volt képes és még 12 ezer méteres magasságon is le tudott adni 1500 lóerőt. Egymotoros vadászgépen nem alkalmazták.

1945-ben a Spitfire legújabb verzióit már a Rolls-Royce Griffon hajtotta, aminek 10 literrel nagyobb volt a lökettérfogata a Merlin-nél, de ennek ellenére befért a Merlin helyére, mivel a lökettérfogatához képest rövid volt.

A németek 1945-től az Fw 190-est a BMW 801-es legerősebb verziójával, az F-el akarták hajtani. Ez a 2400 lóerős felszállóteljesítményével egy igen nagy ugrás lett volna. Emellett az F kompresszora nagyobb áttételt kapott volna, ami jelentősen növelte volna a magassági teljesítményt és a teljesítmény növekedéséhez a nagyobb szelepek és a szelep-összenyitás is hozzá járult volna. Viszont az F nem került gyártásba a háború alatt.

1945-ben a német légierő elkezdte alkalmazni a Ta 152 magassági vadászgépeket, amiknek háromsebességes és kétfokozatú kompresszorai voltak. Ez paritásban volt a legújabb szövetséges típusokkal, de már túl későn jelent meg.

Fejlesztések felsorolása gyártónként:

Rolls-Royce: dús-keverék és 100 oktános üzemanyag (Merlin III, 1940); belső aerodinamika (Merlin 45, 1941); kétfokozatú-feltöltés (Merlin 61, 1942); 150-es teljesítményszámú üzemanyag (1944)

Daimler-Benz: oldalra helyezett és fordulatszám-szabályozású kompresszor; nagyobb kompresszió-viszony (DB 601N, 1940);; szelep-összenyitás (DB 601E, 1941), vízbefecskendezés (DB 605 AM, 1944)

BMW: jobb üzemanyag és megnövelt áttétel (BMW 801 D, 1942); dús-keverék (BMW 801 D-2, 1944); turbófeltöltés (BMW 801 TJ, 1944); nagyobb szelepek, szelepösszenyitás és nagyobb áttétel (BMW 801 F, már nem került gyártásba, prototípus: 1943)

Junkers: kétsebességes szabályozás (már a háború előtt), burkolt kompresszor járókerék (Jumo 211F), intercooler (Jumo 211J); vízbefecskendezés (1944, Jumo 213A); 3-sebességes és kétfokozatú kompresszor (1945, Jumo 213E)

USA: turbófeltöltés és intercooler (P-38, P-47 vadászrepülőgépek); vízbefecskendezés (Pratt & Whitney Double Wasp)

Írta: HZS89

Források:

• Caloum M Douglas: The Secret Horsepower Race
• Wictor Bingham: Major Piston Aero Engines of World War 2
• Kyrill von Gerdorff: Flugmotoren und Strahltriebwerke
• enginehistory.com
• https://www.defensemedianetwork.com/stories/aircraft-engines-world-war-ii/
• http://www.wwiiaircraftperformance.org/wade-comp-perf-chart1.jpg
• https://www.enginehistory.org/Piston/Daimler-Benz/Daimler-Benz.shtml

Képek:

• http://www.warbirdsresourcegroup.org/LRG/images/fw190a-7.jpg
• http://www.warbirdsresourcegroup.org/LRG/images/luftwaffe_messerschmitt_bf109e-2.jpg
• https://lynceans.org/wp-content/uploads/2015/12/P-47-powewrtrain_DSC_5382-crop.jpg
• http://www.warbirdsresourcegroup.org/BARC/images/spitfire1.jpg
• http://www.warbirdsresourcegroup.org/URG/images/p51-3.jpg