ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
TWO-STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE

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.
3
При создании опытного образца настоящего технического решения использовались детали и узлы от двигателя бензомоторной пилы МП-5 «Урал-2» с рабочим объемом 109 см, 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.