Дизельний двотактний двигун

1. Дизельний двотактний двигун, що включає пристрій для запуску, повітрозабірник, компресор наддуву, пневмопровід ресивер стиснутого повітря, блок циліндрів у вигляді відрізка труби закритої з обох кінців торцевими кришками, що містить торцеві і внутрішні циліндри, вільні поршні з кільцевими ущільненнями, випускні вікна і випускні патрубки, сполучені з випускними вікнами, впускні патрубки, механізм синхронізації руху поршнів двигуна, що включає зубчату рейку, вал вибору потужності, кінематично пов'язаний з компресором та розміщений всередині кожного поршня так, що зубчата рейка закріплена на внутрішній стороні тронка поршня, який відрізняється тим, що меха 36778 (див.: Дизельний двотактний двигун - авіаційний двигун майбутнього. Diesel - Zweitakter Flugmotor der Zukunft / Hemker Heinrich // Flug. Rev., 1992, № 1, 80-81. Нім.). Однак таке розташування циліндрів істотно збільшує аеродинамічний опір літального апарату (ЛА), а наявність кривошипно-шатунного механізму (КШМ) підвищує його питому вагу. Існує двигун з осцилюючими поршнями для приводу двоконтурного вентилятора без КШМ (див.: Пат. 5303546 США МКІ F02K5/60 Farell Monti № 722939. Заявл. 4.06.93, опубл. 19.4.94. HKI 60/269), конструкція якого має безліч осцилюючих пар поршнів, укладених у кільцевий циліндр, що обертається, з'єднаний з лопатками вентилятора, що забезпечує тягу для ЛА. Однак такий двигун складний у виготовленні і експлуатації, не має достатньої надійності. Відомий авіаційний дизель GMA140TK (див.: Экспресс-информация. Сер. Авиационное двигателестроение. – 1988. - №19, март. - С. 5. Розработка авиационных дизелей в Франции) з турбонаддувом, рідинним охолоджуванням і приводом гвинта через зубчатий редуктор. Хоча двигун є хорошою базовою конструкцію для оснащення ЛА, його маса дуже велика - 240 кг при потужності 100 кВт. Відомий легкий високообертовий дизель для дирижабля з питомою вагою 1,36 кг/кВт. (див.: Light weight high speed diesels to power a new line of airships. Diesel & Gas Turbine Worldwide, 1987, v. 19, № 9, p. 20-21). Двигун має W-подібний блок з 18 циліндрів по 6 в ряду. Однак полегшений КШМ в такому двигуні знижує надійність і вимагає додаткових заходів для балансування. З відомих дизелів найбільш компактні, легкі і зрівноважені вільно-поршневі генератори газу (далі ВПГГ) з повітряними буферами, в яких продукти згоряння подають на турбіну з метою отримання крутильного моменту на валу. Авіаційний варіант такого двигуна запропонований ще в 40 роки (див.: Reichspatentamt, Patentschrift, № 694451, Klass 46fm Gruppe 7,01 R.P. Peskara, 1940). Відома модифікація ВПГГ для гелікоптера (Johnson J.A. and Eustis R.H. An analysis of Helicopter Propulsion Systems Trans ASME, 1951, v. 73, № 5, pp. 519-527). Однак питома вага такої установки не може бути знижена до величини менше ніж 1,6 кг/кВт без створення додаткових камер згоряння, що позбавляє дизель його основної переваги - економічності. Відома конструкція ВПГГ з трьома дизельними циліндрами (див.: Кошкин В.К., Майзель Л.М., Черномордик В.М. Свободнопоршневые генераторы для газотурбинных установок. – М.: Машгиз, 1963. - С. 200), у якого блок циліндрів представляє трубу змінного перетину, в центрі якої і по краях розміщені дизельні циліндри. Між ними знаходяться циліндри компресора подвійної дії. Таке компонування дозволяє підняти потужність (за рахунок зрівняння швидкості руху поршнів в обох напрямах), скоротити розмір і вагу BПГГ. Це має принципове значення для авіадвигуна. Однак створення такого генератора зв'язане з великими труднощами, а саме: 1) блок циліндрів двигуна складний за конфігурацією, бо п'ять його циліндрів різні по діаметру; 2) двигун такого типу має слабий, недостатньо жорсткий механізм синхронізації, що зумовлено винесенням пари шестерня-рейка або шарнірів за межі блоку циліндрів. Це призводить до виникнення значних згинаючих моментів в деталях механізму і не дозволяє синхронізувати роботу великого числа дизельних циліндрів; 3) момент подачі компресором стислого повітря не співпадає з періодом продування циліндрів внаслідок руху поршнів дизеля і компресора в одній фазі. Це вимагає відповідного перерозподілу подачі стислого повітря з компресора в циліндри дизеля; 4) охолоджування головок поршнів утр уднене через їхню форму у вигляді закритого об'єму. Загалом така конструкція ВПГГ є відносно важкою, незручною в монтажі і обслуговуванні і малопристосованою для масового виробництва. Теплова перевантаженість поршнів дизеля практично унеможливлює форсування потужності двигуна. Найбільш близьким до двигуна за даним винаходом за технічною суттю є авіаційний короткоходовий двотактний двигун повітряного охолодження, призначений для примусового обдуву вер хньої поверхні крила вихлопними газами (див.: Подзірей Ю.С. Лінійний генератор газу для примусового обдування верхньої поверхні крила. Збірник праць ІЯД. – К., 1999. - С. 251). Блок циліндрів виконаний у вигляді двох коаксіальних труб постійного перетину, з'єднаних проміж собою поздовжніми ребрами повітряного охолодження. Внутрішня труба має парне число опозитних поршнів, всередині кожного з них розташований багатофункціональний механізм для гідродинамічного гальмування поршня в мертвій точці і виводу крутильного моменту з поршня на компресор наддуву. Але крутильний момент такого двигуна виводиться із поршня як різнобічне обертання вала, що потребує включення в його кінематичну схему КШМ, який значно підвішує питому вагу двигуна. Окрім того, короткий ход поршня припускає вивід значної частини потужності газів що розширюються на реактивне сопло, це значно знижує коефіцієнт корисної дії (ККД) і потребує для отримання достатнього ступеня стиснення -40- використання двоступеневого привідного відцентрового нагнітача (ПВН). В цілому така конструкція є відносно важкою і недостатньо економічною. Використання в двигуні клапанно-щилинної продувки ускладнює його конструкцію, підвищує його вартість, створює незручності при обслуговуванні і ремонті. Незважаючи на перераховані вище недоліки двотактні дизелі на сьогоднішній день і у близькому майбутньому є одним з найбільш економічних видів двигунів, що в значній міри реалізує ідеальний тепловий цикл Карно. Тому їх вдосконалення є актуальним. Відповідно в основу винаходу покладено задачу шляхом використання іншого, ніж вищезгадане, компонування частин двигуна, введенням додаткових елементів, виключеним деяких з них і зміною геометричної форми окремих деталей створити такий двигун, який би зберігаючи всі переваги лінійного генератору газу був економічним на малих і великих навантаженнях, мав малу пи 2 36778 тому вагу, був простий у ви готовленні і обслуговуванні, забезпечував вивід крутильного моменту на робочий механізм, а також мав низький рівень робочого шуму та вібрації. Поставлена задача вирішується тим, що в двигуні який містить елементи звичайні для лінійного генератора газу, а саме: пристрій для запуску, повітрозабірник, компресор наддуву, пневмопровід, ресивер стиснутого повітря, блок циліндрів у вигляді відрізка труби, закритої з обох кінців торцевими кришками і що містить торцеві і внутрішні циліндри, вільні поршні з кільцевими ущільненнями, випускні вікна і випускні патрубки, сполучені з випускними вікнами, впускні патрубки, механізм синхронізації руху поршнів двигуна, що включає зубчату рейку, вал відбору потужності, кінематичне пов'язаний з компресором, та розміщений всередині кожного поршня так, що зубчата рейка закріплена на внутрішній стороні тронка поршня, згідно винаходу механізм синхронізації додатково містить дві муфти вільного ходу і зубчату рейку, а блок циліндрів має випускні вікна. Додаткове використання двох муфт вільного ходу і зубчатої рейки дозволяє вивести з поршня крутильний момент у однобічному вигляді і відмовитись від використання КШМ, що значно зменшує питому вагу двигуна, а застосування впускних вікон у блоці циліндрів дозволяє використати для внутрішніх та торцевих циліндрів прямоточнощілинну і петльову продувку, відповідно. Це позбавляє конструкцію від впускних клапанів та механізму їх приводу, що значно здешевлює і спрощує експлуатацію двигуна. Перша додаткова відмінність полягає в тому, що ведучі ланки обох муфт - зірки закріплені на валу відбору потужності назустріч одна одній. Це дозволяє передавати на нього енергію поступового руху поршня у вигляді крутильного моменту. Друга додаткова відмінність полягає в тому, що зубчаті рейки закріплені на тронку поршня по обидва боки від валу відбору потужності. Це забезпечує симетрію навантаження на тронк і вивід крутильного моменту в однобічному вигляді. Третя додаткова відмінність полягає в тому, що ведена ланка муфти вільного ходу обойма має зубчатий віденець що входить у зачеплення з зубчатою рейкою. Це забезпечує компактність механізму і дозволяє розташувати його всередині поршня, а також вивільнити місце для деяких елементів системи відкачування охолоджуючого мастила з поршня. Четверта додаткова відмінність полягає в тому, що блок циліндрів має додаткові отвори, які розташовані поза робочим об'ємом циліндра симетрично відносно вала відбору потужності на твірній лінії циліндра. Ці отвори дозволяють подавати в поршні стисле повітря для відкачування мастила у вигляді повітряно-краплинної суміші і забезпечують їх е фективне охолодження. П'ята додаткова відмінність полягає в тому, що додаткові отвори з'єднані пневмопроводом з системою пневмозапуску двигуна. Це дозволяє використовувати систему після запуску двигуна для вентиляції поршнів і відкачування з них нагрітого мастила, що значно спрощує конструкцію і підвищує її надійність за рахунок зменшення кількості деталей. Природно, що форми реалізації винахідницького задуму не обмежені викладеними вище варіантами і приведеним нижче прикладом, і що на основі принципового технічного рішення, викладеного на початку характеристики суті винаходу можуть бути створені й інші комбінації, зумовлені різним призначенням і специфікою транспортного засобу. Далі суть винаходу пояснюється докладним описом конструкції двигуна та його роботи з посиланнями на додані креслення, де зображено на: фіг. 1 - загальна кінематична схема авіаційного багатоциліндрового двигуна повітряного охолодження (без допоміжних механізмів); фіг. 2 - поршень і механізм синхронізації руху поршнів та відбору потужності (поршневі кільцеві ущільнення на фіг. не показано). На перетині АА показано відкриття випускного вікна в лівому циліндрі і початок гальмування поршня. Дизельний двотактний двигун, що пропонується в загальному випадку, тобто незалежно від форми реалізації винахідницького задуму, має такі основні частини. Блок циліндрів 1 (фіг. 1, 2) розташований всередині профільованого крила літака, або у рамі вантажного авто, або в корпусі судна у вигляді труби з постійним поперечним перетином, призначений для утримання інших частин двигуна і сприйняття основної частини робочих навантажень. Торцеві фланці блока циліндрів 2 (фіг. 1), закріплені на кінцях труби блока циліндрів і призначені для запобігання утворення конусності на кінцях при нагріванні. Дві торцеві кришки блока циліндрів 3, з'єднані з фланцями 2, служать для утворення замкненого простору камер згоряння в торцевих циліндрах, мають радіальні ребра, що стикуються з подовжніми ребрами повітряного охолодження блока циліндрів. Збірні поршні 4 (фіг. 1, 2) два і більше, розташовані один за одним в блоці циліндрів 1, служать для стиснення повітря за рахунок сприйняття частини енергії згоряння палива. Вони мають два днища кожний і тронк, а також подовжні, діаметрально протилежні розрізи в тронковій частині з буртиками 5 (фіг. 2), які впираються в днища через ребра жорсткості 6. Розрізи призначені для подачі в поршень охолоджуючого мастила, стислого повітря, а також пропуску через тіло поршня валу, що використовується для синхронізації руху поршнів і відбору частини потужності. Буртики разом з ребрами призначені для упору на вал в мертвих точках. Крім того, буртики призначені для утримання в поршні деякого об'єму мастила, а ребра жорсткості 6 - для зменшення згинаючого навантаження на буртики за рахунок його перенесення на поршень і тронк у вигляді навантаження стиснення. Розподільний вал двигуна 7 (фіг. 2) призначений для приводу рушія (в даному випадку - повітряного гвинта змінного кроку), паливних насосів високого тиску (якщо не передбачено газовий привід форсунок), паливних помп, компресора і мастильних насосів, відкачуючого і нагнітаючого (на кресленнях не показані), і електрогенератора. Він має рівновіддалені одна від одної конічні шестерні 8, одна на поршень. 3 36778 Опори 9 (фіг.1) з радіальними підшипниками (на кресленнях не показано) призначені для кріплення розподільного вала 7 на трубі блоку циліндрів. Муфти вільного ходу 10 (фіг. 2) пристрою синхронізації руху поршнів, який використовується також для відбору частини потужності, розташовані всередині поршня 4 і разом із зубчатими рейками 11 призначені для перетворення поворотнопоступального руху поршня у двобічне обертальне. Зубчаті рейки 11 пристрою синхронізації, закріплені на тронку всередині поршня 4, на протилежних боках, і призначені для перетворення, разом з муфтами 10, поворотно-поступального руху поршня 4 у обертальний рух вала 12. Вал відбору потужності пристрою синхронізації руху поршнів 12, у вигляді відрізка труби змінного перетину, розташований вертикально, проходить через розрізи в поршні 4, радіальний підшипник 13 з ковзаючою посадкою, манжетне ущільнення 14, отвори у внутрішній трубі блоку циліндрів 1 і сполучений з нею через опорно-радіальний фіксуючий підшипник 15. У середній частині він має отвори відкачування масла 16, конічну шестерню, зв'язану з конічною шестернею 8 розподільного вала 7. Призначений для виведення крутильного моменту і створення умов для упору поршням в мертвих точках, а також відкачування через нього нагрітого мастила з поршня. Штуцери мастилоподачі 17 з клапанами випуску (на кресленнях не показані) кількістю чотири на поршень, розташовані попарно на твірній циліндра по обидві сторони від вала шестерні пристрою синхронізації 12, зверху і знизу. Вони призначені для вприску під тиском охолоджуючого мастила в порожнину поршня через розрізи тронка. Сухі картери 18, у вигляді циліндричних стаканів, надіті на кінці вала 12 і зв'язані з ним через манжетні ущільнення 14, закріплені на блоці циліндрів 1. Торцеві і внутрішні циліндри 19, 20 (фіг. 1), розташовані послідовно в блоці циліндрів, призначені для сприйняття бічного тиску і забезпечення прямолінійного руху поршнів. Випускні вікна 21 (фіг. 2) розташовані з краю внутрішніх циліндрів 20 і попереду впускних вікон в торцевих циліндрах 3 (фіг. 1) призначені для випускання відпрацьованих газів з робочого об'єму циліндрів 19, 20 та їхньої продувки. Випускні патрубки 22 (фіг. 2), у вигляді відрізків труб, один на внутрішній циліндр і один на торцевий, приєднані до випускних вікон 21 служать для виведення вихлопних газів на верхню поверхню крила і їх орієнтацію по ходу літака. Ежекторна камера 23 розташована в середній частині випускного патрубка 22, з'єднана з міжреберним простором блоку 1 і призначена для посилення тяги двигуна і відкачування охолоджуючого повітря з міжреберного простору. Отвори обдуву 24 о холоджуючим повітрям виконані у вигляді отворів в ребрах блоку циліндрів. Вони призначені для відкачування нагрітого повітря через ежекторні камери 23 і розташовані по колу навколо внутрішньої труби блоку циліндрів напроти випускних патрубків 22. Компресор наддуву 25 (фіг. 1), призначений для стиснення атмосферного повітря, сполучений повітроводом з ресивером і через розподільний вал 7 (фіг. 2) з валами відбору потужності 12, розташований окремо на блоці циліндрів, у місці визначеному конструктивними особливостями літака. Повітрозабірник 26 (фіг. 1) у вигляді відрізка труби, призначений для спрямування повітря в корпус компресора і сполучений з його центральною частиною. Ресивер 27 (фіг. 2) є частиною крила. Він відділений від іншого об'єму крила подовжньою теплоізолюючою стінкою. Ресивер призначений для охолоджування стислого в компресорі повітря і його рівномірного розподілу по довжині блоку циліндрів. Він сполучений повітропроводом з корпусом компресора 25 (фіг. 1) і з блоком циліндрів 1 через впускні патрубки. Форсунки 28 (фіг. 2) з паливними насосами високого тиску розташовані в блоку циліндрів, призначені для вприску палива в циліндри під тиском. Паливопровод 29 та маслопровод 30 проходять вздовж блока циліндрів у вигляді порожнин у ребрах повітряного охолодження. Кришки люків обслуговування двигуна 31, закріплені на зовнішній трубі блоку циліндрів, призначені для забезпечення доступу до інши х деталей двигуна при його виробництві, ремонті та виконанні регламентних робіт. Клапани вентиляції поршнів 32, у ви гляді отворів в блоці циліндрів, розташовані поза робочим об'ємом циліндрів, симетрично валу 12 на твірній лінії циліндра, з'єднані через автоматичні пневмоклапани 33 з пневмосистемою двигуна. Двигун має також пристрій для запуску, який містить вище згадані автоматичні пневмоклапани 33, розміщені в камерах згоряння, і балон зі стислим повітрям, а також стандартне джерело живлення - генератор (на фіг. не показані). Генератор закріплений на корпусі компресора 25 (фіг. 1) і сполучений з його валом. Природно, що в не показаних на кресленнях (оскільки це очевидне для фахівця) мастилофильтрах, мастилонасосах і мастилорадіаторі, паливних помпах і паливному баку, а також на енергоустаткуванні і контрольно-вимірювальних приладах мають бути вмонтовані відповідні клапани і роз'єми, розташовані всередині крила, в корпусі літака і в двигуні. Описаний авіаційний варіант дизельного двотактного двигуна запускають так. Від мережі аеродромного живлення або бортового акумулятора (на кресленнях не показані) подають напругу на електричні ланцюги двигуна. З бортового або аеродромного балона через пневмопровод на автоматичні пускові клапани 33 (фіг. 2) подають стисле повітря. Поршні 4 приводяться в поворотно-поступальний рух, а через зубчату рейку 11, зубчатий віденець однієї з муфт 10 (друга обов'язково знаходиться в режимі вільного ходу), вал 12, конічну шестерню 8 і розподільний вал 7 приводяться в дію паливна система і мастилосистема, починає обертатись компресор 25 (фіг. 1) та повітряний гвинт змінного кроку. При регулярних спалахах в циліндрах автоматичні пневмоклапани 33 (фіг. 2) відключають пусковий балон і підключають пневмопроводи до клапанів вентиляції поршнів 32. Запуск двигуна закінчено. 4 36778 У стаціонарному режимі він працює таким чином. Спалах паливної суміші в лівій камері згоряння штовхає поршень 4 праворуч. При цьому, внаслідок того, що муфти 10 змонтовані назустріч одна одній, одна з них знаходиться у положенні вільного ходу , а друга своїм зубчатим веденням з'єднує вал відбору синхронізації та зубчату рейку 11, яка приводить в обертання конічну шестерню 8, розподільний вал 7, який, в свою чергу, забезпечує обертання повітряного гвинта а також роботу компресора, паливної системи і мастилосистеми. Через компресор 25 (фіг. 1), обертається електрогенератор (на кресленнях не показаний), а також індукується е.р.с. в ланцюгах живлення. Наближення поршня 4 (фіг. 2) до мертвої точки приводить до того, що обойми муфт вільного ходу 10 повністю перекривають зверху простір між буртиками 5, утворюючи замкнений об'єм, розташований ліворуч від вала. Мастилонагнітаючий насос через мастилопровід 17 (на кресленнях не показані) і клапан штуцера подає мастило в замкнений простір доти, поки тиск мастила в ньому не перевищить тиск в мастилосистемі. Після цього клапан штуцера перекриває подачу масла. Одночасно через сусідній штуцер, який не перекритий обоймою муфти 10, масло впорскується всередину поршня, охолоджуючи його. Через щілину між валом і буртиком мастило починає витіснятися у внутрішній об'єм поршня 4, на що потрібно затратити енергію. Це приводить до його гальмування, тим більшому, чим більша швидкість поршня і його маса (враховуючи мастило, що знаходиться в ньому). Надлишок мастила у вигляді повітряно-краплинної суміші відкачується мастилонасосом (на кресленнях не показаний) через отвори 16 у валі 12, сухі картери 18. Наявність отворів 16 в обох кінцях вала дозволяє відкачувати масло при будь-якій орієнтації двигуна в просторі. В процесі руху поршня відбувається стиснення повітря в правом від нього циліндрі і відкриття випускного вікна 21 в лівому. Вихлопні гази через випускний патрубок 22 і ежекторну камеру 23 подаються на верхню поверхню профільованого крила, при цьому засмоктується охолоджуюче повітря з міжреберного простору через отвори обдуву 24, що посилює тягу дви гуна і охолодження циліндрів. Одночасно по досягненню протилежним (зліва до розглядуваного) поршнем впускних вікон у лівому циліндрі (на кресленнях не показані) відбуваються продування і наддув, а в правому цилінд рі закінчується стиснення повітря. Паливний насос високого тиску (на кресленнях не показаний) через форсунки 28 (фіг. 2) впорскує в камеру згоряння правого циліндра порцію палива, яке згоряє і штовхає поршень ліворуч. При цьому муфта що з'єднувала одну з рейок переключається в режим вільного ходу, а інша з'єднує іншу рейку з валом, але внаслідок того, що ця рейка розташована з протилежного боку, вал продовжує обертатися в той же бік. Робочий цикл повторюється (тепер вже в правому циліндрі). Специфічними особливостями використання двигуна в процесі його роботи є: 1) при гальмуванні поршня замкнені змінні об'єми, які працюють як гідродинамічне гальмо, витискують також мастило в щілину між циліндром і поршнем. Це забезпечує їхнє змащення і дозволяє відмовитися від лубрикатора, що звичайно застосовується в двотактних дизелях; 2) розташування мастилопроводу в міжреберному просторі при достатній довжині і розвиненій зовнішній поверхні дозволяє використати його як мастило радіатор; 3) примусове регулювання положення мертвих точок зміною тиску в мастило системі, що дає можливість зсуву точки початку гальмування і дозволяє підтримувати потужність двигуна на рівні, необхідному для роботи за зовнішньою характеристикою; 4) відсутність або мінімізація втраченого ходу поршня забезпечує економічність двигуна і дозволяє підвищити рівень форсування; 5) є можливість використання низькосортних видів палива. Специфічним аспектом використання двигуна, що пропонується для ЛА різних конструкцій і призначень є: 1) низька питома вага і хороша приємистість, зумовлена відсутністю КШМ; 2) Підвищений моторесурс, зумовлений відсутністю бічного навантаження на поршень і малою кількістю вузлів тертя; 3) зрівноваженість роботи двигуна і низький рівень вібрацій внаслідок синхронізації тактів у торцевих циліндрах; 4) можливість розміщення двигуна в передній частині профільованого крила, що поліпшує його центровку і забезпечує чистіші аеродинамічні форми ЛА; 5) істотне скорочення ваги заправки ЛА внаслідок економічності дизеля, а також підвищення пожежної безпеки, внаслідок використання дизельного пального замість гасу. Фіг. 1 5 36778 Фіг. 2 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 6