ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
TWO-STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано при конструировании, изготовлении и эксплуатации 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, вызванной разноразмерными цилиндропоршневыми группами и кривошипно-шатунными механизмами, что делает невозможным повышение мощности двигателя за счет увеличения частоты вращения коленчатого вала. 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 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 колоколообразной формы, в которой установлены свечи зажигания. При этом боковые поверхности камеры сгорания колоколообразной формы выполнены коническими, их образующие пересекаются и наклонены к оси цилиндров (патент США №4352343, кл. F02B 25/12 за 1982 г.).
Недостатком известного двигателя внутреннего сгорания также является повышенная вибрация, связанная с большой неуравновешенностью двигателя, вызванная разноразмерными цилиндропоршневыми группами и кривошипно-шатунными механизмами, что делает невозможным повышение мощности двигателя за счет увеличения частоты вращения коленчатого вала. Наличие двух разноунифицированных комплектов деталей затрудняет изготовление двигателя и его последующую эксплуатацию. Кроме того, основным недостатком указанных двигателей является низкая литровая мощность, вызванная малым рабочим объемом двигателя, связанным с разноразмерными цилиндрами.
Задачей изобретения является создание для сверхлегких и беспилотных летательных аппаратов двухтактного двигателя внутреннего сгорания повышенной мощности с уменьшенной вибрацией.
Поставленная задача решается тем, что в двухтактном двигателе внутреннего сгорания, включающем, по меньшей мере, пару соосно расположенных цилиндров, сопряженных с общей головкой, в которой размещена камера сгорания колоколообразной формы, при этом один из цилиндров имеет впускной канал и устройство приготовления смеси, а другой - впускной и выпускной каналы, цилиндры снабжены поршнями, кинематически связанными с коленчатыми валами, согласно изобретению один цилиндр дополнительно включает выпускной канал, другой цилиндр дополнительно включает устройство приготовления смеси, а общая головка дополнительно содержит камеру сгорания полусферической формы, имеющую меньший объем, чем сообщающаяся с ней камера сгорания колоколообразной формы, при этом кривошип коленчатого вала одного цилиндра смещен относительно кривошипа коленчатого вала другого цилиндра на угол 20-25°.
В камере сгорания колоколообразной формы образующая одной конической поверхности камеры наклонена к оси цилиндров под углом 10-15°, а образующая другой ее конической поверхности наклонена к оси цилиндров под углом 60-65°.
Отношение площади поперечного сечения участка сопряжения камер сгорания к площади поперечного сечения каждого из цилиндров составляет 0,05-0,1.
Объем камеры сгорания полусферической формы составляет 22-32% объема камеры сгорания колоколообразной формы.
Устройство приготовления смеси выполнено в виде карбюратора.
Устройство приготовления смеси выполнено в виде форсунки.
В камере сгорания колоколообразной формы установлен декомпрессор.
На фиг.1 представлен двухтактный двигатель внутреннего сгорания (продольный разрез), на фиг.2 - увеличенное изображение общей головки цилиндров двухтактного двигателя внутреннего сгорания (продольный разрез).
Двухтактный двигатель внутреннего сгорания содержит, по меньшей мере, пару соосно расположенных цилиндров 1 и 2, снабженных поршнями соответственно 3 и 4, кинематически связанными с коленчатыми валами, соединенными между собой при помощи зубчатых колес (не показаны). Кривошип 5 коленчатого вала одного из цилиндров смещен относительно кривошипа 5 коленчатого вала другого цилиндра на угол 20-25°. К торцам цилиндров 1 и 2 с одной стороны примыкают кривошипные камеры 6, другими торцами цилиндры соосно сопряжены с общей головкой 7, в которой размещена камера 8 сгорания колоколообразной формы со свечами 9 зажигания и декомпрессором 10, сообщающаяся с камерой 11 сгорания полусферической формы цилиндра 2. Двигатель имеет впускные 12, выпускные 13 и продувочные 14 каналы, устройства приготовления смеси (не показаны) цилиндров 1 и 2. Образующие конических поверхностей камеры сгорания колоколообразной формы пересекаются и наклонены к оси цилиндров, причем образующая одной конической поверхности камеры сгорания колоколообразной формы наклонена к оси цилиндров под углом α=10-15°, образующая другой конической поверхности камеры сгорания колоколообразной формы наклонена к оси цилиндров под углом β=60-65°.
Работа двухтактного двигателя внутреннего сгорания
При асинхронном движении поршней 3 и 4 навстречу друг другу в кривошипных камерах 6 создается разрежение, и через впускные 12 каналы в кривошипные камеры 6 поступают заряды смеси определенного состава. В кривошипную камеру 6 цилиндра 1 поступает смесь от мощностного до экономического состава с коэффициентом избытка воздуха α от 0,75 до 1,2. В кривошипную камеру 6 цилиндра 2 поступает смесь от экономического состава до чистого воздуха с α>1,1.
При движении поршней 3 и 4 друг от друга в кривошипных камерах 6 создается сжатие, и через продувочные 14 каналы потоки смеси направляются сначала к верхней стенке цилиндров 1 и 2, затем в цилиндре 1 - вдоль конической поверхности камеры 8 сгорания колоколообразной формы, а в цилиндре 2 - вдоль полусферической поверхности камеры 11 сгорания. Далее потоки смеси, образуя петлю, вытесняют отработавшие газы из всего объема цилиндров 1 и 2 и достигают выпускных 13 каналов. При движении поршней 3 и 4 навстречу друг другу выпускные 13 каналы закрываются, и смесь, поступившая в цилиндр 1, сжимается с низкой степенью сжатия (7-8), а в цилиндре 2 - с высокой степенью сжатия (до 32).
К концу процесса сжатия в камере 8 сгорания колоколообразной формы цилиндра 1 создаются благоприятные условия для зажигания смеси от искры свечей 9 зажигания вследствие проникновения обогащенной топливом смеси в эту камеру.
После воспламенения заряда от свечей 9 зажигания в камере 8 сгорания цилиндра 1 начинается горение. Горящие газы в виде факела выбрасываются через сужающее отверстие колоколообразной камеры 8 сгорания в камеру 11 сгорания полусферической формы цилиндра 2 и осуществляют зажигание в цилиндре 2 обедненной смеси или воздуха с высокой скоростью. Оптимальный эффект факельного зажигания получен при отношении площади поперечного сечения узкого участка колоколообразной камеры 8 сгорания к площади поперечного сечения цилиндра, равном 0,05-0,1.
Уменьшение этого отношения приводит к увеличению скорости горения заряда, задуванию пламени в камере 8 сгорания, а также к жесткой и шумной работе двигателя. Увеличение упомянутого отношения вызывает при петлевой продувке появление застойных зон в цилиндрах 1, 2 и, следовательно, плохое перемешивание смеси в камерах 8 и 11 сгорания вследствие уменьшения скорости потока смеси, а значит, и уменьшает скорость горения заряда в колоколообразной камере 8 сгорания.
После развития горения в камере 11 сгорания полусферической формы цилиндра 2 начинается обратное перетекание заряда в камеру 8 сгорания колоколообразной формы цилиндра 1, происходит дожигание несгоревшего топлива за счет избыточного кислорода, находящегося в цилиндре 2. Затем открываются выпускные 13 каналы, и отработавшие газы удаляются из цилиндров 1 и 2.
Суммарный объем между поршнями в момент прихода поршня 3, а через 20-25° угла поворота коленчатого вала и поршня 4 в верхнюю мертвую точку будет одинаковым, следовательно, сгорание смеси происходит при постоянном объеме, что увеличивает полноту ее сгорания. Большее значение угла поворота коленчатого вала приведет к возрастанию неуравновешенности движущихся масс и, как следствие, к повышению вибрации двигателя.
Для обеспечения высоких значений термического КПД и мощности необходимо иметь степень сжатия в двигателе 11-13. Для этого необходимо повысить степень сжатия в цилиндрах двигателя. Допустимая степень сжатия в цилиндре 1 двигателя, работающего на бензине с высоким октановым числом, составляет 7-8. При повышении степени сжатия в цилиндре 1 возникает детонационное сгорание, которое приводит к падению мощности, уменьшению экономичности и вызывает жесткую работу двигателя. Допустимая степень сжатия в цилиндре 2 может достигать 32. При повышении степени сжатия в цилиндре 2 уменьшается механический КПД, снижается мощность, возникает жесткая работа двигателя.
Вышеуказанные значения степени сжатия зависят от объема и формы камер сгорания цилиндров. Оптимальный объем камеры сгорания полусферической формы цилиндра 2 составляет 22-32% объема камеры сгорания колоколообразной формы цилиндра 1.
На режиме максимальной мощности (взлет летательного аппарата) в цилиндр 1 подается смесь мощностного состава, например, α=0,75-0,85, а в цилиндр 2 подается смесь экономичного состава, например, α=1,1-1,2. 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.
Выполнение двухтактного двигателя внутреннего сгорания, один цилиндр которого дополнительно включает выпускной канал, другой цилиндр дополнительно включает устройство приготовления смеси, а общая головка дополнительно содержит камеру сгорания полусферической формы, имеющую меньший объем, чем сообщающаяся с ней камера сгорания колоколообразной формы, при этом кривошип коленчатого вала одного цилиндра смещен относительно кривошипа коленчатого вала другого цилиндра на угол 20-25°, позволяет организовать раздельное смесеобразование с петлевой продувкой в каждом цилиндре. При этом сгорание смеси происходит при постоянном объеме, что способствует повышению термического КПД, а следовательно, и мощности заявляемого двигателя. Кроме того, выполнение цилиндров одноразмерными влечет повышение рабочего объема двухтактного двигателя внутреннего сгорания, а следовательно, повышается и литровая мощность этого двигателя.
Выполнение в камере сгорания колоколообразной формы образующей одной конической поверхности камеры наклоненной к оси цилиндров под углом 10-15°, а образующей другой ее конической поверхности наклоненной к оси цилиндров под углом 60-65° позволяет организовать петлевую продувку. При отношении же площади поперечного сечения участка сопряжения камер сгорания к площади поперечного сечения каждого из цилиндров, составляющем 0,05-0,1, достигается оптимальный эффект факельного зажигания.
Выполнение двухтактного двигателя внутреннего сгорания с объемом камеры сгорания полусферической формы, составляющим 22-32% от объема камеры сгорания колоколообразной формы, позволяет повысить степень сжатия в двигателе, термический КПД и, как следствие, мощность двигателя.
Раздельное смесеобразование в заявляемом двигателе обеспечивается при помощи устройств внешнего смесеобразования (карбюратора) или внутреннего смесеобразования (форсунки).
Организация газообмена с применением в каждом цилиндре петлевой продувки упрощает конструкцию двигателя. Изготовление всех необходимых деталей возможно по технологии, традиционной для производства двухтактных двигателей, а наличие унифицированных комплектов деталей облегчает технологию изготовления заявляемого двигателя и его последующую эксплуатацию.
Выполнение конструкции двухтактного двигателя внутреннего сгорания с противоположно движущимися поршнями и применение одноразмерных деталей цилиндропоршневой группы и кривошипно-шатунных механизмов позволяет уравновесить двигатель и, следовательно, снизить вибрацию. В уравновешенном двигателе возможно повышение частоты вращения и тем самым увеличение мощности двигателя.
Применение раздельного смесеобразования в каждом цилиндре позволяет уменьшить расход топлива и повысить экономичность заявляемого двигателя, а дожигание обогащенной смеси позволяет снизить токсичность отработавших газов.
В двухтактном двигателе внутреннего сгорания, имеющем большую степень сжатия, установка декомпрессора в камере сгорания колоколообразной формы облегчает запуск двигателя, а также позволяет освободить от богатой топливно-воздушной смеси камеру сгорания.
3
Для подтверждения возможности реализации настоящего технического решения были использованы 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, потребляемое топливо - бензин АИ-92. Проведенные расчеты и испытания образца заявляемого двигателя подтвердили указанный технический результат.
Предложенное техническое решение позволит повысить мощность заявляемого двухтактного двигателя внутреннего сгорания, использовать его при изготовлении и комфортной эксплуатации сверхлегких летательных аппаратов и снизить вибрацию, в том числе и для беспилотных аппаратов.