СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 2024 года по МПК F02B57/06 F02B75/00 F02B33/00 

Изобретение относится к военной технике и может быть использовано для беспилотного летательного аппарата.

Прототипом является двигатель внутреннего сгорания, содержащий клапаны впуска, цилиндр с окном и поршнем, кинематически связанным с валом отбора мощности, отличающийся тем, что он снабжен другим цилиндром с поршнем, который кинематически связан с валом отбора мощности, причем кинематические связи выполнены кривошипно-ползунными механизмами, кривошипы которых закреплены на валу со смещением 90° относительно друг друга, а ползуны выполнены в виде штоков поршней, при этом концы полостей второго цилиндра соединены соответственно каналами с клапанами впуска, размещенными на противоположных концах полости первого цилиндра, окно которого размещено в центре полости и сообщено с атмосферой [Пат. РФ 2617519, МПК F02B 33/06, F02B 33/2, 2017].

Недостатками прототипа являются:

- относительно сложная конструкция двигателя, обусловленная наличием клапанов и, по крайней мере двух цилиндров;

- относительно большие массогабаритные характеристики.

Задачей изобретения является упрощение конструкции, снижение массогабаритных характеристик и улучшение эксплуатационных качеств.

Задача решается тем, что в способе работы двигателя внутреннего сгорания, включающем воспламенение рабочей смеси и выпуск отработавших газов, по крайней мере из одного цилиндра и по крайней мере через одно окно, открываемое в конце такта рабочего хода поршнем, кинематически связанным, по крайней мере с одним кривошипом одного вала отбора мощности потребителем, перед началом такта сжатия через окно осуществляют впуск воздуха (окислителя) для топлива.

Одну часть окон размещают в зоне повышенного давления воздуха, а другую часть - в зоне пониженного. Потребитель используют в качестве маховика у вала отбора мощности. В качестве потребителя используют винт. Поршень кинематически соединяют с кривошипом другого вала отбора мощности. Отбор мощности с валов производят отдельными потребителями. В качестве окислителя используют и жидкий окислитель. Второй кривошип вала, закрепляют на нем со смещением 90° относительно первого кривошипа и кинематически соединяют его с поршнем второго цилиндра. Периодически поочередно используют цилиндропоршневую группу каждого цилиндра в качестве нагнетателя окислителя. Окна используют для охлаждения поршня. В зоне пониженного давления размещают окна, расположенные в верхней части цилиндра, а в зоне повышенного давления - окна нижней части цилиндра.

Указанные отличительные признаки позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с прототипом.

Осуществление перед началом такта сжатия через окно впуска воздуха (окислителя) для топлива позволяет отказаться от клапанного механизма, что повышает надежность и уменьшает массогабаритные характеристики.

Размещение одной части окон в зоне повышенного давления воздуха, а другой части - в зоне пониженного улучшает освобождение полости цилиндра от отработавших газов и последующее наполнение его воздухом. Через окна зоны пониженного давление происходит вытягивание отработавших газов, а через окна зоны повышенного давления - продувка полости цилиндра и последующее наполнение его воздухом (эффект надува). Это улучшает эксплуатационные качества двигателя.

Использование потребителя в качестве маховика у вала отбора мощности уменьшает число деталей двигателя, что повышает его надежность и уменьшает массогабаритные характеристики.

Использование в качестве потребителя винта упрощает конструкцию за счет отсутствия каких либо промежуточных кинематических звеньев между валом отбора мощности и винтом.

Соединение поршня кинематически с кривошипом другого вала отбора мощности позволяет производить двухвинтовые беспилотные летательные аппараты (БПЛА), что расширяет функциональные возможности и повышает эксплуатационные качества. При этом, поскольку такая система имеет одну степень свободы, то траектории движения лопастей винтов могут перекрываться (не задевая друг друга), что уменьшает габаритные характеристики и создает более плотный и мощный воздушный поток в средней части БПЛА, а это, в свою очередь, создает большую подъемную силу на самой широкой части крыла. При этом по сравнению с одним винтом, расположенным по оси симметрии БПЛА, двумя винтами создается достаточно мощный воздушный потоку и на краях крыльев, что создает большую подъемную силу по сравнению с одним центральным винтом. В результате еще появляется возможность создания моноплана с треугольным крылом. Все это повышает эксплуатационные качества.

Выполнение отбора мощности с валов отдельными потребителями выполнению БПЛА двухвинтовыми.

Использование в качестве окислителя жидкий окислителя, например фэтерола (кислородосодержащий компонент метилтретбутилового спирта) позволяет или произвести форсирование двигателя, или повысить потолок БПЛА, что улучшает эксплуатационные качества.

Закрепление второго кривошипа на валу со смещением 90° относительно первого кривошипа и кинематическое соединение его с поршнем второго цилиндра позволяют позиционировать винты друг относительно друга взаимно перпендикулярно, а также более равно распределить суммарный крутящий момент при их вращении. Кроме того, создается предпосылка возможности использования цилиндров в качестве нагнетателей воздуха (компрессоров). Все это повышает эксплуатационные качества.

Периодически поочередное использование цилиндропоршневой группы каждого цилиндра в качестве нагнетателя окислителя (воздуха) позволяет повысить потолок БПЛА без применения жидкого окислителя, который занимает место на борту и снижает полезную нагрузку. Это повышает эксплуатационные качества и расширяет функциональные возможности.

Использование окна (окон) для охлаждения поршня позволяет отказаться от ребер охлаждения или уменьшить их размеры, что снижает массогабаритные характеристики.

Размещение в зоне пониженного давления окон, расположенные в верхней части цилиндра, а в зоне повышенного давления - окон нижней части цилиндра улучшает вентиляцию цилиндра, поскольку высокотемпературные более легкие отработавшие газы устремляются вверх и вытягиваются через верхние окна.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен двигатель внутреннего сгорания в момент положения поршня на отметке 0,7 хода. На фиг. 2 изображен двигатель в момент положения поршня на отметке 0,96. На фиг. 3 изображен двигатель в момент положения поршня на отметке 0,96 при обратном ходе поршня от крайнего положения. На фиг. 4 изображен двигатель в момент положения поршня около середины. На фиг. 5 изображен двигатель в момент положения поршня на отметке 0,03. На фиг. 6 изображен двигатель в момент положения поршня на отметке 0,03 при обратном ходе поршня от крайнего положения. На фиг. 7 изображен цилиндр двигателя с поршнем, имеющим два штока. На фиг. 8 изображен вариант расположения пропеллеров на БПЛА. На фиг. 9 изображен двигатель в режиме работы компрессором. На фиг. 10 изображен вариант размещения двигателя на крыле БПЛА.

Двигатель внутреннего сгорания содержит кривошипно-ползунный механизм, кривошип 1 которого жестко закреплен на валу 2 и соединен через шатун 3 со штоком 4 поршня 5, размещенного с возможностью перемещения в цилиндре 6, в центре полости которого выполнено окно 7, соединяющее эту полость с атмосферой, а на крышках цилиндра размещено устройство 8 впрыска топлива. Цилиндр может иметь клапаны 9, 10, соединенные воздуховодами с аналогичными клапанами, расположенными на противоположных концах (крышках) другого цилиндра. На валу может быть закреплен пропеллер 11 БПЛА 12, двигатель которого может быть размещен на его крыле 13, при этом окна верхней части цилиндра расположены над верхней части крыла в зоне пониженного давления, а окна нижней части - в зоне повышенного давления (под крылом), при этом некоторые окна могут быть соединены воздуховодом 14 с передней части крыла для непосредственного попадания в цилиндр двигателя встречного воздушного потока 15.

Двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.

Предположим, что двигатель запускают известным способом путем вращения вала 2, например по часовой стрелке, и отсчет угла поворота осуществляется от горизонтали. Для определенности будем полагать, что в начальный момент (в момент пуска) вал 2 занимает положение, например соответствующее углу его поворота α=30° (фиг. 1). В это время поршень 5 находится на расстоянии 0,7 хода. При этом в правой части полости цилиндра 6 воздух будет сжиматься поршнем 5, и давление воздуха, по мере приближения поршня к мертвой точке, будет возрастать. При достижении валом 2 угла α=70° поршень 5 окажется на расстоянии 0,96 хода, при этом окно 7 начнет освобождаться от прилегающей цилиндрической поверхности поршня (открываться), в результате чего воздух (или продукты горения) из левой части полсти цилиндра 6 будет истекать наружу (в атмосферу), при этом давление в этой части полости упадет, после чего она будет продуваться и заполняться свежим воздухом набегающего воздушного потока 15 (фиг. 2). На данной фигуре условно показано одно окно 7, однако окон может быть больше, причем все они должны быть расположены по окружности цилиндра.

Затем производят впрыск через устройство 8 (форсунку) топлива, которое соприкасаясь с горячим сжатым воздухом, воспламеняется и начинает гореть. (Если двигатель работает с техническим зажиганием, то после впрыска топлива смесь поджигают, например с помощью свечи). Поршень 5 по инерции продолжает двигаться к мертвой точке, еще больше освобождая окно 7. Образующиеся продукты сгорания давят на указанный поршень, заставляя его двигаться после прохождения мертвой точки в противоположном направлении. При прохождении валом 2 угла 110°, поршень 5 снова окажется на отметке 0,96 хода, двигаясь уже в обратную сторону, и окно 7 начнет окончательно закрываться, а продувка и наполнение цилиндра свежим воздухом - заканчиваться (фиг. 3). При движении поршня вдоль окон происходит его охлаждение потоком наружного воздуха, благодаря чему он не перегревается во время работы двигателя.

Далее свежий воздух в левой части полости цилиндра 6 начнет сжиматься поршнем 5 (фиг. 4). Как только поршень окажется около отметки ~ 0,03, окно 7 начнет приоткрываться, выпуская продукты горения из правой части полости цилиндра, давление в ней упадет, и она станет продуваться и наполняться свежим наружным воздухом (фиг. 5). Одновременно левой форсункой 8 производят впрыск топлива, которое воспламеняется и начинает гореть. После прохождения валом угла 290° поршень 5 окажется на отметке 0,03 хода. Окно 7 начнет окончательно закрываться, поршень станет сжимать воздух в правой части полости цилиндра 6 (фиг. 6). При повороте вала 2 на 390° описанный цикл повторится.

Если поршень 5 соединить с другой стороны вторым штоком 4 и кинематически связать последний через кривошип 1 со вторым валом отбора мощности (фиг. 7), то к двигателю может быть подключен еще один потребитель, в качестве которого можно использовать пропеллер 11 (воздушный винт), который одновременно может стать маховиком двигателя. Поскольку данная система имеет одну степень свободы, то пропеллеры можно закрепить взаимно перпендикулярно и сблизить так, что их траектории вращения будут пересекаться, но при этом они не будут соударяться (фиг. 8). В этом случае при запуске двигателя необходимо осуществить вращение валов 2 (пропеллеров 11) в разных направлениях, причем пропеллеры должны быть установлены так, чтобы создаваемые ими воздушные потоки были однонаправленными. Такое сближение пропеллеров увеличивает воздушный поток у широкой части крыльев (ближе к фюзеляжу) и сохраняет достаточно большой поток на краю крыльев, что повышает подъемную силу БПЛА 12.

Если цилиндры двигателя снабдить клапанами 9, 10, то можно периодически поочередно использовать цилиндропоршневую группу каждого цилиндра в качестве нагнетателя воздуха для увеличения потолка полета БПЛА (фиг. 9). Предположим, что поршень верхнего цилиндра движется влево и сжимает воздух, а поршень нижнего цилиндра идет вправо и находится на отметке 0,03 хода и начинает закрывать окно 7 цилиндра. После полного закрывания этого окна открывают клапаны 9, 10 соответственно у верхнего и нижнего цилиндров. Поскольку давление воздуха в полости верхнего цилиндра больше, чем в полости нижнего, то воздух из верхнего цилиндра устремляется в нижний, поршни продолжают движение. При достижении верхнем поршнем левой мертвой точки, указанные клапаны закрывают, нижний поршень в этот момент окажется около середины и будет продолжать движение, далее сжимая воздух. В верхнем цилиндре поршень начнет обратное движение, закончатся продувка и заполнение воздухом его правой части полости, и поршень станет сжимать в ней воздух. Заметим, что оставшийся в левой крышке верхнего цилиндра сжатый воздух (воздушная подушка) облегчит движение верхнего поршня в обратную сторону. Более того, можно произвести впрыск небольшого количества топлива левой верхней форсункой, чтобы увеличить давление посредством продуктов горения и организовать, тем самым, маломощный рабочий ход, который еще больше облегчит обратный ход верхнего поршня. При подходе нижнего поршня к правой мертвой точке производят впрыск форсункой 8 топлива, в результате чего горючая смесь сгорает, формируя рабочий ход поршня нижнего цилиндра, при этом будут заканчиваться продувка и наполнение воздухом левой его части. После закрывания нижним поршнем окна 7 открывают клапаны 9 и 10 соответственно нижнего и верхнего цилиндров, в результате чего воздух из правой части верхнего цилиндра устремится в левую часть полости правого цилиндра. При достижении верхним поршнем правой мертвой точки закрывают указанные клапаны, поршень нижнего цилиндра будет продолжать сжимать воздух в левой части, и при достижении им угла опережения зажигания производят впрыск топлива левой форсункой 8, организуя, тем самым, рабочий ход поршня. Далее описанный процесс повторяется. Нижний цилиндр будет работать в режиме двигателя, а верхний - в режиме нагнетателя (компрессора). В результате этого в полости нижнего цилиндра будет поступать по объему в два раза больше воздуха, чем обычно. Благодаря этому двигатель сможет работать в более разреженном воздушном пространстве, чтобы сохранить тепловой режим цилиндров их режим работы периодически можно изменять, т.е. сначала один работает в режиме компрессора, а другой в режиме двигателя, а потом наоборот.

Такое соединение полостей цилиндров позволяет при необходимости сформировать режим самоликвидации БПЛА. Предположим, что при движении верхнего поршня влево открыты клапаны 9 и 10 соответственно верхнего и нижнего цилиндров (фиг. 9). Тогда сжимаемый в левой полости верхнего цилиндра воздух будет выходит через воздуховод и окно 7 нижнего цилиндра до тех пор, пока нижний поршень не перекроет это окно, при этом указанные клапаны закрывают (временем открытия клапана можно изменять степень сжатия).

В результате в левой полости верхнего цилиндра сожмется значительно меньший объем воздуха, и температура его окажется недостаточной для воспламенения при подаче топлива (при работе с техническим зажиганием, последнее не нужно включать), причем более продолжительной, чем обычно. При обратном ходе верхнего поршня, после открывания им окна 7, в последнее будет наружу выбрасываться несгоревшее топливо. Более того, некоторым образом, например при помощи дополнительного клапана можно организовать выброс топлива в полость крыла и внутрь фюзеляжа, создавая везде горючую атмосферу. Поскольку клапан 10 нижнего цилиндра закрыт, то он будет продолжать работать в режиме двигателя, а верхний при этом - в режиме разбрызгивания топлива. При подлете к цели можно организовать путем пожара ликвидацию БПЛА, даже в случае, если на нем нет боеприпаса. Для этого включают техническое зажигание (если таковое есть) в верхнем цилиндре или открывают клапаны 9, 10 перед моментом штатного воспламенения топливной смеси в нижнем цилиндре, в результате чего указанное воспламенение по воздуховоду распространится и на полости верхнего цилиндра, а затем произойдет воспламенение паров и разбрызганного ранее топлива, начнется интенсивное горение БПЛА, а это, в свою очередь, затруднит копирование противником конструкции БПЛА.

Для лучшего продувания и заполнения полости цилиндра свежим наружным воздухом нижнюю часть окон размещают в зоне повышенного давления, например под крылом 13, их верхнюю часть - в зоне пониженного давления, например над крылом (фиг. 10). При этом для увеличения напора свежего воздуха и попадания воздушного потока 15 непосредственно в полость цилиндра часть окон можно посредством воздуховода 14 соединить с воздушным пространством около передней части крыла (эффект надува).

Внедрение изобретения позволит создать дешевый, простой по конструкции двигатель, дающий возможность: выполнить предельное сближение пропеллеров с пересечением траекторий их движения для повышения подъемной силы, при необходимости увеличить потолок полета БПЛА и организовать самоликвидацию последнего в случае надобности. Такой двигатель при небольших массогабаритных характеристиках обладает большой удельной мощностью, реверсом и может изготавливаться в различных вариантах компоновки.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям для беспилотных летательных аппаратов. Способ работы двигателя беспилотного летательного аппарата включает воспламенение рабочей смеси и выпуск отработавших газов по крайней мере из одного цилиндра и по крайней мере через одно окно, открываемое в конце такта рабочего хода поршнем (5), кинематически связанным по крайней мере с одним кривошипом (1) одного вала (2) отбора мощности потребителем. После истечения отработавших газов из полости цилиндра наружу через окно в него осуществляют впуск воздуха для топлива. Окно размещают в центре полости цилиндра. Технический результат заключается в упрощении конструкции. 8 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ работы двигателя беспилотного летательного аппарата, включающий воспламенение рабочей смеси и выпуск отработавших газов по крайней мере из одного цилиндра и по крайней мере через одно окно, открываемое в конце такта рабочего хода поршнем, кинематически связанным по крайней мере с одним кривошипом одного вала отбора мощности потребителем, отличающийся тем, что после истечения отработавших газов из полости цилиндра наружу через окно, в него осуществляют впуск воздуха для топлива, при этом окно размещают в центре полости цилиндра.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что одну часть окон размещают в зоне набегающего потока воздуха.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что потребитель используют в качестве маховика у вала отбора мощности.

4. Способ по любому из пп. 1, 3, отличающийся тем, что в качестве потребителя используют пропеллер.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поршень кинематически соединяют с кривошипом другого вала отбора мощности.

6. Способ по любому из пп. 1, 5, отличающийся тем, что отбор мощности с валов производят отдельными потребителями - пропеллерами, которые закрепляют взаимно перпендикулярно и сближают до пересечения их траектории вращения.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что второй кривошип вала закрепляют на нем со смещением 90° относительно первого кривошипа и кинематически соединяют его с поршнем второго цилиндра, при этом используют цилиндры попеременно в качестве нагнетателя воздуха и двигателя.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что окна используют для охлаждения поршня.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вторую часть окон размещают в зоне повышенного давления воздуха под крылом беспилотного летательного аппарата, а третью часть - в зоне пониженного давления над крылом беспилотного летательного аппарата.