CC BY
29
УДК 629.7.03
ДВУХТАКТНЫЕ ОППОЗИТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ СО ЗНАЧИТЕЛЬНЫМ СМЕЩЕНИЕМ ОСЕЙ ЦИЛИНДРОВ
В. О. Рутковский*, М. А. Рутковская
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газеты «Красноярский рабочий», 31
E-mail: jbiplane@gmail.com
Низкоскоростные БПЛА используют малогабаритные двухтактные поршневые двигатели внутреннего сгорания с кривошипно-шатунными механизмами, в которых шатуны имеют малую длину. Это приводит к значительным механическим потерям на трение. В поршневых двигателях со стандартной длиной шатунов для уменьшения потерь часто используется небольшое смещение осей цилиндров. Увеличение смещения приводит к увеличению вибрации. Однако в двигателях оппозитной компоновки возможно применение намного больших смещений без увеличения уровня вибрации.
Ключевые слова: кривошипно-шатунный механизм, смещение осей цилиндров, потери на трение, уровень вибраций.
2-STROKE BOXER ENGINES WITH SIGNIFICANT CYLINDERS AXIS OFFSET
V. O. Rutkovskiy*, M. A. Rutkovskaya
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
E-mail: jbiplane@gmail.com
Low-speed UAVs use small two-stroke piston internal combustion engines with crank mechanisms and short connecting rods. This results in significant mechanical friction losses. In bigger piston engines often used a small displacement of cylinder axles vs crankshaft axe to reduce such losses. Increased axis displacement results high vibration. However, in opposing boxer engines are possible to use much larger displacements without increasing vibration level.
Keywords: crank mechanism, displacement of cylinder axes, friction loses, vibration level.
В настоящее время основным типом двигателей внутреннего сгорания (ДВС) являются поршневые двигатели с кривошипно-шатунным механизмом (КШМ) [1,2]. Подобная схема показана на рис. 1а, схема с небольшим смещением оси цилиндра относительно оси коленчатого вала показана на рис. 16. Одним из недостатков кривошипно-шатунного механизма является наличие большого бокового усилия поршня на стенку цилиндра, приводящее к большим потерям на трение. Предпринимались многочисленные попытки уменьшить, а то и свести к нулю это усилие, в частности в СССР были предприняты попытки разработать и произвести альтернативные механизмы преобразования поступательных движений поршня во вращательное движение коленчатого вала [3].
Наиболее простыми и действенными способами уменьшения бокового усилия являются увеличение длины шатуна и смещение оси цилиндра a (рис. 16). Пусть: r — радиус кривошипа; Lrn — длина шатуна. В ДВС используются механизмы с соотношением Х= r/Lrn = 0,24...0,31. В дезаксиальных КШМ относительное смещение k=a/r= 0,02...0,1. Скорость и ускорения поршня КШМ приближенно равны:
v«ra [sin^>+(X/2)sin2^>-krkcos^>], j~m2(costy+\costy+k'ksinty). (1)
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2020. Том 1
Обычно при применении дезаксиального механизма сложно обеспечить балансировку ДВС. Однако у оппозитного ДВС этой проблемы нет. В данной работе была создана программа для вычисления бокового усилия поршня нагрузок на стенку цилиндра под действием газодинамических и инерционных нагрузок. Это даёт возможность произвести оптимизацию геометрии КШМ.
Рис. 1. Схема кривошипно-шатунного механизма (КШМ): а-цеитральиый (аксиальный), б- смещенный (дезаксиальный)
Рис. 2. Схема кривошипно-шатунного механизма (КШМ):
- красная линия усилие бокового давления поршня в зависимости от угла поворота в КШМ без смещения и длине шатуна 73 мм
- зеленая линия в механизме со смещением осей цилиндров 10 мм
и увеличении длины шатуна до 105 мм
Как видно из рис. 2, применение очень большого смещения в разы больше общепринятых способствует уменьшению максимального усилия в 3 раза, а также уменьшению потерь на трение пары поршень-цилиндр почти в 2 раза. Нам не удалось обнаружить использования этого простого в реализации метода ни в отечественной, ни зарубежной литературе. Однако, как было показано выше, этот очень простой в реализации метод применительно к оппозитным двигателям даёт очень большой эффект, приводящий к существенному снижению потерь на трение и некоторому уменьшению уровня вибрации. Достаточно лишь небольшого изменения конструкции картера.
Библиографические ссылки
1. Bell A. G. Two-Stroke Performance Tuning (2nd Edition). HAYNES MANUALS INC, Newbury Park, United States, 1999. 271 p.
2. Двигатели внутреннего сгорания: Сборник статей / Московское высшее техническое училище им. Н. Э. Баумана; под общей редакцией А. С. Орлина. Москва: Машгиз, 1954. 148 с.
3. Баландин С. С. Бесшатунные двигатели внутреннего сгорания. М.: Машиностроение, 1972. 176 с.
© Рутковский В. О., Рутковская М. А., 2020
