Обзор оппозитного двигателя. Оппозитный авиационный двигатель


Оппозитный реактивный двигатель

 

Оппозитный реактивный двигатель, относящийся к авиационному и космическому двигателестроению, содержит камеру сгорания, сопло, систему подачи топлива в камеру сгорания, средства инициации горения топлива и приготовления рабочего тела, корпуса всех этих систем. Элемент сопла - раструб находится внутри камеры сгорания и имеет соединение с камерой сгорания в своей широкой части. Критическое сечение сопла находится напротив дна камеры сгорания. Топливопроводы проходят вначале к критическому сечению сопла, образуя вокруг него камеру теплообменника системы охлаждения двигателя, а затем в нижнюю, раструбную часть сопла к механизму впрыска топлива в камеру сгорания на уровне соединения камеры сгорания и сопла. Сопло двигателя может состоять из колец, расположенных друг за другом соосно и на расстоянии друг от друга. Между кольцами сопла имеются зазоры для прохода газов в полость сопла. Каналы для прохода воздуха в камеру сгорания расположены у места соединения камеры сгорания и сопла. Края сопла могут быть загнуты вперед и образуют воздухозаборник двигателя. Такое выполнение двигателя приводит к уменьшению его габаритов и веса. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области авиационного и космического двигателестроения.

Известен оппозитный реактивный двигатель, имеющий камеру сгорания, сопло, систему подачи топлива в камеру сгорания, средства инициации горения топлива и приготовления рабочего тела, систему охлаждения двигателя, корпуса всех этих систем. (см. GB 2196391, МПК6 F 02 К 9/64, 1988). Недостатком известного двигателя являются его большие габариты. Задачей настоящего изобретения является снижение веса и уменьшение габаритов. Поставленная задача решается за счет того, что в оппозитном реактивном двигателе, имеющем камеру сгорания, сопло, систему подачи топлива в камеру сгорания, средства инициации горения топлива и приготовления рабочего тела двигателя, систему охлаждения двигателя, корпуса всех этих систем, элемент сопла - раструб находится внутри камеры сгорания, имеет соединение с камерой сгорания в своей широкой части, критическое сечение сопла находится напротив дна камеры сгорания, топливопроводы проходят вначале к критическому сечению сопла, образуя вокруг критического сечения камеру теплообменника, затем проходят в нижнюю, раструбную часть сопла к механизму впрыска топлива в камеру сгорания на уровне соединения камеры сгорания и сопла. Каналы для прохода воздуха в камеру сгорания двигателя расположены у места соединения камеры сгорания и сопла двигателя, где также расположены и форсунки для впрыска топлива в камеру сгорания. Края сопла загнуты вперед и образуют воздухозаборник двигателя. Сопло двигателя состоит из колец, расположенных друг за другом соосно и на расстоянии друг от друга, а между кольцами сопла имеются зазоры для прохода газов в полость сопла. На фиг. 1 изображен оппозитный реактивный двигатель; на фиг. 2 изображен оппозитный реактивный двигатель с воздухозаборником; на фиг. 3 изображен оппозитный реактивный двигатель с соплом, состоящим из колец. Оппозитный реактивный двигатель имеет камеру сгорания 1, корпус 2 камеры сгорания, сопло 3 с его стенками 4. Элемент сопла 3 - раструб находится внутри камеры сгорания 1 и имеет соединение с камерой сгорания 1 и с корпусом 2 в своей широкой части. Критическое сечение сопла 3 находится напротив дна камеры сгорания 1. В камере сгорания 1 установлены форсунки 5. Двигатель имеет топлипроводы 6 подачи топлива. Вокруг критического сечения сопла 3 в его стенках 4 расположен теплообменник 7. Для прохода воздуха в камеру сгорания 1 имеются каналы 8, расположенные у места соединения камеры сгорания 1 и сопла 3. Воздухозаборник 9 двигателя образован загнутыми вперед краями сопла. Топлипроводы 6 проходят вначале к критическому сечению сопла, образуя вокруг него камеру теплообменника 7, а затем проходят в нижнюю, раструбную часть сопла 3 к механизму впрыска топлива в камеру сгорания - к форсункам 5 на уровне соединения камеры сгорания 1 и сопла 3. Сопло 3 двигателя может состоять из колец 10, расположенных друг с другом соосно и на расстоянии друг от друга. Между кольцами 10 сопла 3 имеются зазоры для прохода газов в полость сопла 3. Воздух проходит в двигатель через воздухозаборник 9 и, двигаясь в просвете между корпусом 2 камеры сгорания 1 и стенками загнутых вперед краев сопла, достигает места соединения сопла 3 и камеры сгорания 1 двигателя, где расположены форсунки 5. Смешиваясь с топливом в камере сгорания 1, воздух проникает в камеру сгорания 1 и инициируется для образования пламени и приготовления рабочего тела двигателя средствами инициации, например свечами зажигания (на чертеже не показаны). Продвигаясь далее по камере сгорания 1, рабочее тело - газ достигает сопла 3 у дна камеры сгорания и, совершив поворот, проходит в сопло 3. При этом теплообменник 7 вокруг критического сечения сопла 3, топливопроводы 6 в стенках 4 сопла 3 отводят избыточное тепло от стенок 4 сопла 3 и служат для подогрева топлива перед его впрыскиванием в камеру сгорания 1 двигателя. Таким образом, корпуса камеры сгорания 1 и сопла 3 служат одновременно для нескольких целей, например, корпус 2 камеры сгорания, вокруг которого движется воздух, служит внутренним корпусом канала воздухозаборника 9 и подогревает воздух при его движении к форсункам 5 и камере сгорания 1. Малая длина предложенного двигателя имеет преимущества при установке его на самолете или ракете с целью более выгодного его размещения на ракете и экономии места и массы.

Формула изобретения

1. Оппозитный реактивный двигатель, имеющий камеру сгорания, сопло, систему подачи топлива в камеру сгорания, средства инициации горения топлива и приготовления рабочего тела двигателя, систему охлаждения двигателя, корпуса всех этих систем, отличающийся тем, что элемент сопла - раструб находится внутри камеры сгорания и имеет соединение с камерой сгорания в своей широкой части, критическое сечение сопла находится напротив дна камеры сгорания, топливопроводы проходят вначале к критическому сечению сопла, образуя вокруг критического сечения камеру теплообменника, затем проходят в нижнюю, раструбную часть сопла к механизму впрыска топлива в камеру сгорания на уровне соединения камеры сгорания и сопла. 2. Оппозитный реактивный двигатель по п.1, отличающийся тем, что каналы для прохода воздуха в камеру сгорания двигателя расположены у места соединения камеры сгорания и сопла двигателя, где также расположены и форсунки для впрыска топлива в камеру сгорания двигателя. 3. Оппозитный реактивный двигатель по п.2, отличающийся тем, что края сопла загнуты вперед и образуют воздухозаборник двигателя. 4. Оппозитный реактивный двигатель по пп.1 - 3, отличающийся тем, что сопло двигателя состоит из колец, расположенных друг за другом соосно и на расстоянии друг от друга, а между кольцами сопла имеются зазоры для прохода газов в полость сопла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

www.findpatent.ru

Изобретения Кирилюка - Главная страница

Многоцелевые модульные ДВС на основе двухцилиндровых секций с оппозитным расположением цилиндров.

Цель представленных разработок – создание многоцелевых двигателей внутреннего сгорания, пригодных для установки как на мотоциклы, автомобили, тракторы, так и на летательные аппараты авиации общего назначения (АОН),  катера и новые перспективные виды транспорта. Для решения поставленной задачи в первую очередь необходимо обеспечить удельную массу таких двигателей на уровне хороших авиационных двигателей, а цену, надёжность и ресурс на уровне автотракторных ДВС. Учитывая современную экономическую ситуацию, желательно сохранить преемственность (вплоть до унификации узлов и деталей) конструкции, технологии проектирования и производства с выпускаемыми в настоящее время двигателями. Это позволит не строить новые заводы, а освоить производство таких двигателей в рамках работ по модернизации серийной продукции.

Для решения задачи были предложены усовершенствования конструкции ДВС, новые рабочие процессы (с непосредственным впрыскиванием топлива и с продолженным расширением) и электроуправляемая топливная аппаратура с использованием последних достижений электроники и электротехники.

Возможно, конструкции необычных двигателей могут обещать большие результаты, но для их практической реализации требуются сотни миллионов $ и годы исследований. Представленные же конструкции почти не отличаются от производимых в настоящее время двигателей и могут производиться на существующих предприятиях.

Из общей практики создания двигателей внутреннего сгорания известно, что наиболее простыми, экономичными, надежными и долговечными являются двигатели с минимально возможным количеством цилиндров. Но обычно двигатели, имеющие менее 4 цилиндров, требуют использования специальных механизмов для уравновешивания сил и моментов инерции вследствие чего оказываются больше и тяжелее многоцилиндровых, что ограничивает область их применения. В настоящее время, в зависимости от назначения, наиболее широко используются 4-6-8-12 цилиндровые двигатели. Использование 1-2-3 цилиндровых двигателей ограниченно двигателями с небольшими (объёмом менее 0.55 л) рабочими цилиндрами.

Известны удачные конструкции двухцилиндровых оппозитных двигателей, например самый первый в мире, выпускавшийся с 1899 года крупной, по меркам того времени, серией автомобиль «Идеал» К. Бенца  и спроектированный А. Лефебром в 1938 году и выпускавшийся в различных модификациях до недавнего времени автомобиль «Ситроен 2 CV» имели двухцилиндровые оппозитные двигатели. Использование оппозитной схемы позволило создать простые, компактные и хорошо уравновешенные двигатели.Но при увеличении рабочего объёма цилиндров таких двигателей возникает необходимость в применении специальных уравновешивающих механизмов, что уменьшает их преимущества. Сейчас производятся лишь сравнительно небольшие (с рабочим объёмом цилиндров менее 1,1 литра) двухцилиндровые оппозитные двигатели.

Двигатель фирмы Subaru

Двигатель фирмы Textron Lycoming

Применение оппозитной схемы позволило создать очень удачные 4-6-8 цилиндровые автомобильные двигатели "Фольксваген", "Порше", "Субару". Тем не менее, такие схемы для автомобильных двигателей используются редко – сейчас их доля составляет только 1,3...1,9_% от всех производимых в мире двигателей.

В то же время в авиации общего назначения (АОН) оппозитные, в том числе двухцилиндровые двигатели используются в абсолютном большинстве случаев.Например, примерно 83% самолетов АОН в США оснащены оппозитными двигателями Teledyne Continental и Textron Lycoming.Значительное число моделей авиационных двигателей "Rotax" и "Hirth" также являются оппозитными. Что интересно, по оппозитной схеме выполняются и двухцилиндровые двухтактные двигатели с синхронно работающими цилиндрами. Кроме того, на базе двигателя "Фольксваген" были созданы авиационные "Лимбахи", фирма "Порше" выпустила авиационный вариант своего мотора, а двигатели "Субару" используют любители для самодельных ЛА.Не будет преувеличением считать оппозитную схему лучшей из освоенных в производстве для двигателей АОН. Оппозитные двигатели имеют достаточно малый удельный вес (0,65-0,85 кг/л.с.), небольшой "лоб", образуют ряд модификаций с 2, 4, 6 и 8 цилиндрами. Эта схема позволяет легко использовать все современные достижения автомобильного двигателестроения. Прочные позиции фирм "Lycoming" и "Teledyne Continental" на рынке авиадвигателей во многом определяются удачным выбором конструктивной схемы.

В Украине и России оппозитные двигатели практически не производятся за исключением устаревших двигателей тяжелых мотоциклов. Для  АОН сегодня выпускается только один отечественный двигатель, реально доведенный до кондиции – звездообразный М-14П Воронежского моторного завода. Несмотря на то, что это удачный двигатель, сегодня он по ряду показателей устарел. Кроме того, необходимо иметь не один мотор, а целую гамму - в разных классах мощности. Попытки создать другие двигатели так и не увенчались успехом. В частности, за многие годы так и не доведен  РПД.Причина сложившегося положения в том, что производители авиационной техники пока не могут гарантировать разработчикам и производителям двигателей достаточной серийности своих самолетов.Тем временем появляются предпосылки для значительно более широкого распространения АОН. Легкие самолёты нового поколения, оснащенные дизелями, могут оказаться экономичнее других транспортных средств (кроме автобусов) при междугородних пассажирских перевозках.Значительно снижены массы современных двигателей автомобилей массового производства. Так удельная масса у бензинового двигателя “Vortec 5700” производства группы GM Powertrain составляет 0,66 кг/л.с. а у дизеля “TD Vecter” производства Detroit Diesel – 1.0 кг/л.с.Ведутся разработки авиационных модификаций автомобильных дизелей Opel, Isuzu, Mersedes, компания PG Group, совместно с корпорацией Ford создает ряд авиационных дизельных моторов на базе моторов Ford нового поколения, объявила о своём намерении создать авиационную модификацию своего автомобильного двигателя и Honda.

Предпосылки

При использовании схемы с оппозитным расположением цилиндров, можно создавать лёгкие (с удельной массой 0.6-0.8 кг/л.с.) компактные и сравнительно простые двигатели внутреннего сгорания. В современных двигателях для АОН такая схема является преобладающей.

При создании наземных транспортных машин такие двигатели не нашли широкого применения, что не в последнюю очередь связано с недостаточной уравновешенностью простых двухцилиндровых двигателей при увеличении размеров цилиндров и мощности, и со сложностью компоновки и обеспечения удобства обслуживания многоцилиндровых оппозитных двигателей при  установке их на автомобили.

Автором предложены новые конструкции кривошипно-шатунных механизмов оппозитных двигателей (патенты UA56277, RU2191906, UA61980) обеспечивающие полную уравновешенность двухцилиндровых двигателей относительно сил и моментов инерции первого и высших порядков и, в случае двухтактных двигателей, уравновешивание газовых сил. При использовании обычной оппозитной схемы для небольших двигателей и изобретенных автором конструкций для крупных двухцилиндровых двигателей, обеспечения удобства их установки на наземные транспортные средства, могут быть созданы двигатели многоцелевого назначения – пригодные для установки на наземный транспорт, на АОН и катера.  Кроме того, оппозитная схема позволяет создавать модульные двигатели, собираемые из отдельных хорошо уравновешенных двухцилиндровых секций. В таких двигателях может быть реализовано полное отключение секций при работе на частичных нагрузках, что обеспечит экономию топлива и ресурса,  повысит надёжность двигательной установки.

Задачи

Значительное повышение эффективности ДВС при одновременном сохранении преемственности конструкции, методов разработки и производства существующих современных двигателей.

Для того чтобы новые двигатели отвечали требованиям одновременно наземного, водного и воздушного транспорта и при этом могли быть запущены в производство с минимальными затратами, они должны иметь:
  1. высокую надёжность
  2. высокую экономичность
  3. высокий ресурс
  4. удобство в эксплуатации
  5. удобство компоновки на транспортных средствах
  6. минимальную стоимость
  7. возможность использовать обычные горюче-смазочные материалы
  8. удельную массу менее 1.3 кг/кВт.
  9. частоту вращения выходного вала менее 3000 об/мин.
  10. возможность длительной работы на режиме максимальной мощности.
  11. высокую степень унификации с производимыми двигателями
Решения
Для решения этих задач предложены следующие подходы:
  1. для двигателей с небольшими (до 0.55 л.) размерами цилиндров использовать обычную схему оппозитного механизма и встроенный редуктор, использовать модули-отсеки. Такой подход обеспечивает высокие характеристики весовой отдачи и позволяет максимально применять узлы и детали серийных двигателей. При этом автоматически решаются задачи 4, 6, 8, 9, 11, решение остальных требует принятия специальных мер. Этот подход реализован в проектах двигателей МК.
  2. для двигателей с большими размерами цилиндров, создавать новые конструкции двигателей применяя изобретенные схемы кривошипно-шатунных механизмов. Этим обеспечивается модульность конструкции,  возможность применять узлы и детали серийных двигателей. Таким образом решаются задачи 1, 2, 3, 4, 7, 8, 9, 10, 11. Эти подходы реализованы в проектах двигателей ДК.
  3. Удобство компоновки на транспортных средствах достигается при их проектировании с учётом особенностей силовых установок. Стоимость может быть снижена за счет сокращения количества деталей и номенклатуры используемых узлов, увеличения объёмов производства благодаря универсальности применения таких двигателей.
  

kirilyukmotors.ucoz.ru

Принцип работы оппозитного двигателя и его плюсы и минусы

На сегодняшний день не меньший интерес к себе вызывает оппозитный двигатель, устанавливаемый на ограниченный круг автомашин. С большим успехом эта модель двигателя применяется в моделях своих машин компанией Subaru и корпорацией Volkswagen Group.

Subaru

Оппозитный двигатель имеет непосредственное отношение к двигателям внутреннего сгорания. Характеризуется эта модель агрегата расположенными в горизонтальной плоскости поршнями. Это свойство является основным отличием от рядного ДВС, с расположенными вертикально поршнями. Ответ на вопрос что такое оппозитный двигатель напрашивается сам — это двигатель, иначе называемый горизонтальным, в нем поршни располагаются в силовом агрегате попарно с правой и с левой стороны. Работа поршни осуществляется в их движении в горизонтальной плоскости за счет движения друг другу и в обратном направлении. Каждая пара поршней оснащена двумя распределительными валами. То есть, с правой стороны два распределительных вала – 8 клапанов и аналогичное расположение с противоположной (левой) стороны. Распредвал и клапана относящиеся к газораспределительному механизму располагаются вертикально в отличие от классического рядного мотора, в котором они располагаются горизонтально.

Цель создания оппозитного двигателя

Появление первых оппозитных двигателей датируется 1938 годом, которые с успехом устанавливались на модельный ряд автомобилей Volkswagen Käfer (иначе называют Фольксваген Жук). Право первенства на разработку этого горизонтально оппозитного движка. Некоторые модели авто, включенных в модельный ряд Volkswagen Group, имеют комплектацию именно этими силовыми агрегатами (в качестве примера может стать модели Porsche 997, Porsche Boxster и так далее).

Параллельно с Volkswagen Group, свои разработки подобного двигателя в 40-х годах вела компания SUBARU. И даже сегодня, эта компания оснащает свой модельный ряд именно этими горизонтально-оппозитными агрегатами.

Оппозитный двигатель

Создавая эту модель двигателя конструктора, стремились к созданию агрегата способного снизить центр тяжести машины. Наверное, никому не стоит объяснять, что чем центр тяжести ниже, тем ездовая характеристика авто выше, да и во время поворотов авто будет меньше кренить.

Преимущества

Плюсы сбалансированной работы такого с горизонтально расположенными цилиндрами оппозитного двигателя обеспечивают работающие друг от друга поршни, которые являются неким противовесом и создают необходимый баланс для осуществления корректной работы агрегата. Оценивая плюсы этого двигателя, специалисты склоняются к мнению, что лучше уравновешен шестицилиндровый рядный движок.

Другим преимуществом оппозитного расположения цилиндров можно назвать низкий центр тяжести, который особенно ценен в спортивных машинах. Так как это преимущество дает необходимую устойчивость в момент скоростного прохождения поворотов.

Несомненное качество оппозитного агрегата характеризуется в ресурсе его прочности. То есть, подобные моторы проходили не одну сотню тысяч километров перед капитальным ремонтом.

Недостатки

Как всегда, любое достоинство сопровождается наличием недостатков, которые имеются и у оппозитных моторов. Минусы определяются в особенности конструкции движка, и выражается в дорогом обслуживании и ремонте, которые также нуждаются в высоком профессионализме мастеров. К примеру, в V-образном или в рядном силовом агрегате владельцем авто может быть проведена самостоятельная замена свечи зажигания, что довольно затруднительно сделать в оппозитном двигателе без наличия специального оборудования.

Другой недостаток, который характерен для этого типа агрегата – это сложность конструкции, что приводит к высокой стоимости. Минусы выражаются в повышенном расходе масла в процессе эксплуатации агрегата.

Несмотря на существующие недостатки, этот оппозитный мотор продолжают устанавливать на ряд авто, уже упомянутых SUBARU и некоторых моделей Porsche. Это дает право предполагать, что производителями оппозитного делается точный расчет имеющихся достоинств и недостатков, если они сознательно делают установку этого агрегата. Для силовых агрегатов горизонтальное расположение цилиндров относится к одному из возможных способов построения. Но и это позволяет получить оппозитный движок, который будут отличать внушительные возможности и перспективы в возможном их использовании в автомобилях.

Типы оппозитных агрегатов

Развитие автомобилестроения позволило прийти к производству оппозитного движка. Толчком к его производству послужило неуемное желание сэкономить подкапотное пространство.

В первую очередь хочется отметить, что существует несколько типов оппозитных агрегатов:

Оппозитный двигатель “боксёр”

  • Тип «боксер» (SUBARU) – характеризуетсяравноудаленным движением поршней в цилиндрах – в момент нахождения одного верхней точке, то другой, находящийся противоположно ему – в нижней.
  • Оппозитныймотор с устройством ОРОС – на какое-то время про них совсем забыли, но на сегодняшний день вновь приступили к их разработке и усовершенствованию. С использованием одного коленвала, происходит работа двух поршней на каждый цилиндр, движение которых идет навстречу друг другу.
  • Советский 5 ТДФ (двигатель, разработанный для танков Т-34) – двигатель, который имеет совершенно иное устройство и принцип работы устройства также отличается от вышеназванных.Работа этого двигателя характеризуется попарной работой поршни в одном цилиндре при движении навстречу друг другу. Кроме того, этот ДВС 5 ТДФ является двухтактным мотором.

На сегодняшний день современные оппозитные моторы заметно модернизировались. В сравнении с V-образным агрегатом заметное отличие выражалось в расположении кривошипов коленвала. В «оппозитных боксерах» количество цилиндров колебалось от четырех до двенадцати, но все-таки оптимальным является шестицилиндровый ДВС. За счет особенного строения коленвала ему присущ низкий уровень вибрации, которая относится к одной из основных проблем четырехцилиндрового «боксера». Эту проблему старались разрешить с помощью разработанных гидроопор для силового агрегата. Но как ни рассуждай, но для двигателя оптимальное решение – это наличие шести цилиндров. Это относится и к оппозитному и к V-образному двигателю.

Похожие статьи:

autodont.ru