ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2014 года по МПК F02B25/08 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано при конструировании, изготовлении и эксплуатации для беспилотных и сверхлегких летательных аппаратов, например мотопарапланов.

Известен двухтактный двигатель внутреннего сгорания с противоположно движущимися поршнями в цилиндрах разного диаметра, расположенных на одной оси. Каждый цилиндр снабжен кривошипно-камерной продувкой, при этом в цилиндр малого диаметра поступает обогащенная топливно-воздушная смесь, в цилиндр большого диаметра поступает воздух. Эти два цилиндра сопряжены с камерой сгорания, имеющей свечу зажигания (Двухтактные карбюраторные двигатели внутреннего сгорания. / В.М.Кондратов, Ю.С.Григорьев, В.В.Тупов и др. - М.: Машиностроение, 1990 с.49-50).

Недостатком известного двигателя является повышенная вибрация, связанная с большой неуравновешенностью двигателя, вызванная разноразмерными цилиндро-поршневыми группами и кривошипно-шатунными механизмами. Таким образом, невозможно повышение мощности двигателя за счет увеличения частоты вращения коленчатого вала. Кроме того, наличие двух разноунифицированных комплектов деталей затрудняет изготовление двигателя и его последующую эксплуатацию.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является двухтактный двигатель внутреннего сгорания с противоположно движущимися поршнями в цилиндрах, сопряженных с общей головкой, расположенной на одной оси. Каждый цилиндр снабжен кривошипно-камерной продувкой, при этом в первый цилиндр поступает воздух, во второй цилиндр - обогащенная топливно-воздушная смесь. Головка цилиндров имеет камеру воспламенения, в которой свеча зажигания расположена под углом к оси цилиндров. Камера воспламенения соединена центральным каналом с камерой сгорания, имеющей тороидальную форму. Поршень второго цилиндра снабжен каналами для прохождения топливно-воздушной смеси. Кроме того, коленчатые валы двигателя имеют разные радиусы кривошипов (патент США №4359017, кл. F02B1/08, F02B25/12, F02B33/04, 1982 г.).

Недостатком известного двигателя внутреннего сгорания также является повышенная вибрация, связанная с большой неуравновешенностью двигателя, вызванная разноразмерными поршневыми группами и кривошипно-шатунными механизмами. Таким образом, также невозможно повышение мощности двигателя за счет увеличения частоты вращения коленчатого вала. Наличие центрального канала и каналов в поршне повышают гидравлическое сопротивление потоку топливно-воздушной смеси, уменьшают механический КПД и в целом, мощность двигателя. Наличие двух разноунифицированных комплектов деталей затрудняет изготовление двигателя и его последующую эксплуатацию. Кроме того, камера сгорания имеет сложную тороидальную форму и трудна в изготовлении. Выполнение свечного отверстия наклонно к оси цилиндра усложняет технологию изготовления.

Задачей изобретения является создание для сверхлегких и беспилотных летательных аппаратов двухтактного двигателя внутреннего сгорания повышенной мощности и с уменьшенной вибрацией.

Поставленная задача решается тем, что двухтактный двигатель внутреннего сгорания, включающий, по меньшей мере, два соосно расположенных цилиндра, к торцам которых с одной стороны примыкают кривошипные камеры, другие торцы соосно сопряжены с общей головкой, в которой размещена камера воспламенения со свечей зажигания, сообщающаяся с одной стороны с камерой сгорания одного из цилиндров, имеющего впускной и выпускной каналы, а с другой стороны - с другим цилиндром, имеющим впускной канал и устройство приготовления смеси, согласно изобретению, выполнен симметричным относительно;центральнои поперечной плоскости, проходящей через камеру воспламенения, для чего один из цилиндров дополнительно включает устройство приготовления смеси, другой из цилиндров дополнительно включает выпускной канал и камеру сгорания, при этом камеры сгорания цилиндров выполнены полусферической формы.

Соотношение площади поперечного сечения камеры воспламенения к площади поперечного сечения цилиндра составляет 0,1-0,2.

Отношение объема камеры воспламенения к суммарному объему камеры воспламенения и камер сгорания двух цилиндров составляет 0,2-0,4.

Свеча зажигания расположена на оси симметрии центральной поперечной плоскости.

Устройство приготовления смеси выполнено в виде карбюратора.

Устройство приготовления смеси выполнено в виде форсунки.

В камере воспламенения установлен декомпрессор.

В камере воспламенения дополнительно установлена свеча зажигания.

На фиг.1 представлен заявляемый двухтактный двигатель внутреннего сгорания (продольный разрез).

Двухтактный двигатель внутреннего сгорания содержит, по меньшей мере, два соосно расположенных цилиндра 1 и 2, к торцам которых с одной стороны примыкают кривошипные камеры 3, а другие торцы соосно сопряжены с общей головкой 4. В головке 4 размещена камера 5 воспламенения со свечами 6 зажигания и декомпрессором 7, сообщающаяся с камерами 8 сгорания полусферической формы цилиндров 1 и 2. Двигатель имеет впускные 9, выпускные 10 и продувочные 11 каналы, устройства приготовления смеси (не показаны) цилиндров. В цилиндрах 1 и 2 расположены поршни 12, кинематически связанные с коленчатыми валами 13, соединенными между собой при помощи зубчатых колес (не показаны).

Работа двухтактного двигателя внутреннего сгорания заключается в следующем.

При синхронном движении поршней 12 навстречу друг другу в кривошипных камерах 3 создается разряжение, и через впускные 9 каналы в кривошипные камеры 3 поступают заряды смеси определенного состава. В кривошипную камеру 3 цилиндра 1 поступает смесь от мощностного до экономического состава, с коэффициентом избытка воздуха а от 0,75 до 1,2. В кривошипную камеру 3 цилиндра 2 поступает смесь от мощностного состава до чистого воздуха, с α>0,75. При движении поршней 12 в направлении друг от друга в кривошипных камерах 3 создается сжатие, и через продувочные 11 каналы потоки смеси направляются сначала к верхней стенке цилиндров 1 и 2, затем вдоль полусферической поверхности камеры 8 сгорания, проникая в камеру 5 воспламенения, поворачивают, образуя петлю, вытесняют отработавшие газы из всего объема цилиндра 1 и 2 и достигают выпускных 10 каналов. При движении поршней 12 навстречу друг другу выпускные 10 каналы закрываются, и смесь, поступившая в цилиндры 1 и 2, сжимается.

К концу процесса сжатия в камере 5 воспламенения создаются благоприятные условия для зажигания смеси от искры свечей 6 зажигания вследствие глубокого проникновения более тяжелой, обогащенной топливом смеси в эту камеру.

После воспламенения заряда от свечей 6 зажигания в камере 5 воспламенения в камере 8 сгорания цилиндра 1 начинается горение. Горящие газы в виде факела выбрасываются в камеру 8 сгорания цилиндра 2. Факельное зажигание осуществляет зажигание в цилиндре 2 обедненной смеси или воздуха с высокой скоростью. Оптимальный эффект факельного зажигания получен при отношении площади поперечного сечения камеры 5 воспламенения к площади поперечного сечения цилиндра, равном 0,1-0,2.

Уменьшение соотношения приводит к увеличению скорости горения заряда, задуванию пламени в камере 5 воспламенения, а также к жесткой и шумной работе двигателя. Увеличение соотношения вызывает при петлевой продувке появление застойных зон в цилиндрах 1, 2 и плохое перемешивание смеси в камерах 8 сгорания, вследствие уменьшения скорости потока смеси, а также уменьшает скорость горения заряда в камере 5 воспламенения.

После развития горения в камере 8 сгорания цилиндра 2 начинается обратное перетекание заряда в камеру 8 сгорания цилиндра 1, происходит дожигание несгоревшего топлива за счет избыточного кислорода, находящегося в цилиндре 2. Затем открываются выпускные 10 каналы, и отработавшие газы удаляются из цилиндров 1 и 2.

На режиме максимальной мощности (взлет летательного аппарата) в цилиндры 1 и 2 подается смесь мощностного состава, например, α=0,75-0,85. По мере снижения мощности (горизонтальный полет или посадка) в цилиндре 1 смесь постепенно обедняется до экономичного состава, например, α=1,1-1,2, а в цилиндре 2 смесь постепенно обедняется вплоть до чистого воздуха.

Организация раздельного смесеобразования в цилиндрах 1 и 2 возможна при оптимальном отношении объема камеры 5 воспламенения к суммарному объему камеры 5 воспламенения и камер 8 сгорания двух цилиндров 1 и 2, которое составляет 0,2-0,4. Увеличение отношения приводит к увеличению степени сжатия, вызывает детонационное горение, что приводит к снижению мощности двигателя. Уменьшение отношения приводит к уменьшению степени сжатия, уменьшению термического КПД и, как следствие, к снижению мощности двигателя.

Выполнение заявляемого двигателя симметричным относительно центрально расположенной вертикальной оси, проходящей через камеру воспламенения, позволяет организовать раздельное смесеобразование с петлевой продувкой в каждом цилиндре. Для этого один из цилиндров дополнительно включает устройство приготовления смеси, другой из цилиндров дополнительно включает выпускной канал и камеру сгорания, при этом камеры сгорания цилиндров выполнены полусферической формы.

При соотношении площади поперечного сечения камеры воспламенения к площади поперечного сечения цилиндра, равном 0,1-0,2, достигается оптимальный эффект факельного зажигания.

При отношении объема камеры воспламенения к суммарному объему камеры воспламенения и камер сгорания двух цилиндров, равном 0,2-0,4, достигается максимальная мощность двигателя.

Раздельное смесеобразование в двигателе обеспечивается при помощи устройств внешнего смесеобразования (карбюратора) или внутреннего смесеобразования (форсунки).

Организация газообмена с применением в каждом цилиндре петлевой продувки позволяет упростить конструкцию предлагаемого двигателя, изготавливать все необходимые детали по технологии, традиционной для производства двухтактных двигателей, а наличие унифицированных комплектов деталей облегчит технологию изготовления двигателя и его последующую эксплуатацию.

Выполнение конструкции двигателя с противоположно движущимися поршнями и применение одноразмерных деталей цилиндропоршневой группы и кривошипно-шатунных механизмов позволит уравновесить двигатель и снизить вибрацию.

Уравновешенный двухтактный двигатель позволит повысить частоту вращения и тем самым увеличить его мощность.

Применение раздельного смесеобразования в каждом цилиндре позволит уменьшить расход топлива и повысить экономичность двигателя, а дожигание обогащенной смеси позволит снизить токсичность отработавших газов.

Выполнение камер сгорания полусферической формы, а также расположение свечи зажигания вертикально на оси симметрии ведет к упрощению технологии изготовления.

Установка декомпрессора в камере воспламенения облегчает пуск двигателя, а также позволит освободить от богатой топливно-воздушной смеси камеру воспламенения.

Установка дополнительно второй свечи зажигания в камере воспламенения позволит повысить стабильность циклов работы двигателя за счет более надежного воспламенения, что повлечет увеличение мощности двигателя.

При создании опытного образца настоящего технического решения использовались детали и узлы от двигателя бензомоторной пилы МП-5 «Урал-2» с рабочим объемом 109 см³, диаметром цилиндра 55 мм и ходом поршня 46 мм. Двигатель с искровым зажиганием, воздушного охлаждения был оснащен карбюраторами КМП-100У с воздушной заслонкой, потребляемое топливо - бензин АИ-92. При испытаниях этого образца подтверждается указанный технический результат.

Предложенное техническое решение позволит использовать его при конструировании, изготовлении и эксплуатации двигателей и сделает комфортной эксплуатацию сверхлегких летательных аппаратов, а для беспилотных аппаратов позволит без искажений передавать информацию.

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к двухтактным двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является уменьшение вибраций. Сущность изобретения заключается в том, что двухтактный двигатель внутреннего сгорания выполнен симметричным относительно центральной поперечной плоскости, проходящей через камеру воспламенения, и включает, по меньшей мере, два соосно расположенных цилиндра, к торцам которых с одной стороны примыкают кривошипные камеры. Другими торцами цилиндры соосно сопряжены с общей головкой, в которой размещена камера воспламенения со свечей зажигания, а камеры сгорания цилиндров имеют полусферическую форму. 1 ил.

Двухтактный двигатель внутреннего сгорания, включающий, по меньшей мере, два соосно расположенных цилиндра, к торцам которых с одной стороны примыкают кривошипные камеры, другие торцы соосно сопряжены с общей головкой, в которой размещена камера воспламенения со свечей зажигания, сообщающаяся с одной стороны с камерой сгорания одного из цилиндров, имеющего впускной и выпускной каналы, а с другой стороны - с другим цилиндром, имеющим впускной канал и устройство приготовления смеси, отличающийся тем, что он выполнен симметричным относительно центральной поперечной плоскости, проходящей через камеру воспламенения, для чего один из цилиндров дополнительно включает устройство приготовления смеси, другой из цилиндров дополнительно включает выпускной канал и камеру сгорания, камеры сгорания цилиндров имеют полусферическую форму, при этом соотношение площади поперечного сечения камеры воспламенения к площади поперечного сечения цилиндра составляет 0,1-0,2, а отношение объема камеры воспламенения к суммарному объему камеры воспламенения и камер сгорания двух цилиндров составляет 0,2-0,4.