ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ "НОРМАС - МХ-43"

Полезная модель относится к энергомашиностроению, в частности к объемному двигателю внутреннего сгорания (ДВС), оснащенному устройствами, которые улучшают преобразование тепловой энергии и может быть использован в качестве стационарной или транспортной силовой установки, а при наличии встроенной обмотки в районе движущихся частей двигателя является и источником электрической энергии т.е. - генератором, а при определенных небольших изменениях в конструкции возможен перевод его работы в режим компрессора-устройства для создания избыточного давления рабочего тела или детандера-устройства для редукции давления рабочего тела и попутного получения мощности на выходном валу.
Уровень техники.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявленному ДВС, то есть прототипом, является двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере одну пару цилиндров с возвратно-поступательно движущимися поршнями и головку, в которой размещен один, периодически сообщающийся с цилиндрами, газораспределительный цилиндрический золотник, снабженный общей для обоих цилиндров камерой сгорания и кинематически связанный с валом отбора мощности при этом для обеспечения продолженного расширения продуктов сгорания, цилиндры выполнены разного объема, причем цилиндр меньшего объема снабжен воздуховпускными органами, а цилиндр большего объема - газовыпускными, и кривошип коленчатого вала цилиндра меньшего объема смещен в сторону опережения по ходу вращения коленчатого вала на 9-72* относительно кривошипа цилиндра большего объема (авт. свид. СССР №828780, кл. F02B 41/02, опубл. 07.04.82 г. бюллетень №13).
Недостатками выбранного двигателя - прототипа, являются то, что при продолженном расширении продуктов сгорания в.цилиндрах разного объема не получается полностью, наиболее направленно реализовать преимущества, которые связаны с использованием ДВС с разделенным термодинамическим циклом, а также и то, что в нем, как правило, не происходит улучшения процессов сгорания, повышения мощности и крутящего момента без увеличения рабочего объема, а если и происходит, то по весьма малоэффективному пути - за счет увеличения частоты вращения вала, или с применением дорогостоящих редукторов, а не за счет прямого увеличения крутящего момента после каждого рабочего цикла, как в заявленной конструкции двигателя.
В качестве прототипа конструкции применяемого ротора принят самый известный, самый древний и самый простой тип роторного нагнетателя, известный человечеству как нагнетатель Roots, запатентованный братьями Филандером и Фрэнсисом Руте еще в далеком I860 году, прототип которого легко усматривается и в патенте нагнетателя собственного производства немецкого инженера Геттлиб Даймлера, что в 1900 году был установлен на серийном автомобиле Daimler-Benz. Очень похожие конструкции нагнетателя Roots просматривается и в уже современном ротационном счетчике газа марки РТК-Ех с двумя восьмиобразными роторами, а также и в роторном компрессоре, объемных нагнетателях, вакуум-насосах, механических насосах серии ДВН или как их часто за рубежом называют - насосы Рутса. Суть работы нагнетателей состоит в следующем: внутри корпуса, составленного из двух полуцилиндров, вращаются в противоположных направлениях два двухлопастных ротора и «засасывают» воздух или другой компонент через входное отверстие, одновременно проталкивая эти потоки в так называемый распределительный отсек, обеспечивая при этом высокую производительность насоса, причем при этом между корпусом и лопастями выдерживаются минимальные зазоры и почти полностью отсутствует трение.
Раскрытие полезной модели.
Конструкция заявленного двигателя основана на том, что энергия сгорания топливной смеси максимально эффективно преобразуется во вращение одного вала отбора мощности. Задачей при разработке и технически грамотном конструировании предложенной полезной модели заявленного ДВС выбраны критерии, которые при большем крутящем моменте на валу отбора мощности, причем после каждого рабочего хода, обеспечивают и лучшую равномерность вращения, надежность, технологическую простоту сборки и компактность конструкции.
Крутящий момент является важнейшим эффективным динамическим показателем и характеризует тяговые возможности двигателя. Он представляет собой произведение многих результирующих сил - среднего эффективного давления сгорания топлива, геометрических величин активной площади рабочего объема, трения, инерции, коэффициента тактности, частоты вращения и т.д., умноженное на радиус их приложения, который создает рабочий орган ДВС и передает его на вал отбора мощности двигателя. Понятно, что крутящий момент создается не постоянно, а только в период действия этой силы, то есть во время и после рабочего хода, если, конечно, продолжается действие этой силы.
Крутящий момент и мощность двигателя - два разных и порой несовместимых понятия. Мощность достаточно условный параметр, который отображает полезную работу, совершаемую газами при расширении в цилиндрах двигателя в единицу времени за вычетом затрат на преодоление сил трения и приведение в действие вспомогательных механизмов. Если попробовать объяснять совсем просто, то крутящий момент - это то, что на самом деле толкает машину вперед, а мощность - это то, что этот крутящий момент производит.
В двигателях, чтобы получить максимальный крутящий момент, необходимо и увеличение активной площади движущих элементов ДВС, воспринимающих попутное давление от расширения выхлопных газов и одновременно минимизация неактивной площади газоходов, при этом в двигателе полностью сохраняется отлаженная термодинамика проходящих процессов, а введение эффективных устройств, идей и элементов реализует технический аспект в заявленном ДВС наиболее полно.
В основу полезной модели поставлена техническая задача повышения эффективности работы двигателя, когда не только введение новых элементов в конструкцию, но и создание новых совмещенных связей между существующими элементами конструкции, обеспечивают полезную многофункциональность при протекании термодинамических процессов в ДВС, а также осуществляется более полное удаления продуктов сгорания, причем также после каждого рабочего хода и при ярко выраженной тенденции увеличения активной площади движущих элементов конструкции по ходу движения выхлопных газов.
Поставленная техническая задача предопределило и выбор именно двухтактного ДВС со встречно движущимися поршнями, где усилие, необходимое для получения крутящего момента, создается после каждого второго хода поршня. Известно, что при понижении или повышении оборотов бензиновых ДВС эффективное давлении, а значит и крутящий момент будет всегда уменьшаться из-за ухудшения условий газообмена. Дизель же работает в диапазоне средних оборотов коленчатого вала, когда эффективное давление достигает своего максимума - то есть дизельный вариант будет более оптимальным. Отличительной особенностью дизеля является и впрыск топливной смеси растянутый по времени относительно угла поворота коленчатого вала, что тоже неплохо для протекания термодинамического процесса в двигателе. Наличие в заявленной конструкция ДВС «НОРМАС-МХ-43» новых конструктивных элементов, их взаимосвязь и взаиморасположение, обеспечивают полезной модели ДВС получение необходимых технических результатов, но об этом ниже.
Решением поставленной технической задачи является ДВС, включающий сборный из модулей неподвижный корпус, кривошипно-шатунные механизмы (КШМ), узлы сочленения с валом отбора мощности при этом ДВС оборудован не менее, чем одной парой модулей, с двумя одинаковыми по размерам в одном модуле сдвоенными поршнями двухстороннего действия и двухсторонним расположением шаровых узлов сочленения с дезаксиальным кривошипно шатунным механизмом двигателя и которые при встречном линейном перемещении навстречу друг другу образуют одновременно две камеры сгорания, которые оснащены форсункой или свечей, последние в свою очередь является составной частью и встроены в устройство для впуска компонентов продувки или топливной смеси, имеющее цилиндрическую форму, и оборудованные краном регулирования и окнами пропуска компонентов продувки или топливной смеси, когда сдвоенные поршни перемещаются к центру камеры сгорания с точкой 2, причем внутри сдвоенного поршня размещен цилиндрический по форме дополнительный подпружиненный поршень, связанный подвижной тягой с золотником, шаровым узлом сочленения и шатуном с коленчатым валом и имеющий возможность ограниченного перемещения, когда расчетное давление газов в камере сгорания преодолевает усилие пружины внутреннего дополнительного поршня, а когда сдвоенные поршни перемещаются от центра камеры сгорания с точкой 2, полости сечения выхлопных окон через перепускной газоход соединяются с конструктивно сдвоенными в центре с точкой 0 полостями продолженного расширения двухлопастных роторов, причем вращающие лопасти роторов соосно соединены и синхронно вращаются с коленчатым валом двигателя, обеспечивая суммирование от продолженного расширения выхлопных газов в роторах дополнительного крутящего момента, причем после каждого рабочего цикла.
Для обеспечения равномерности вращения ДВС снабжен парным количеством модулей, причем кинематика и геометрическое расположение осей и элементов первого из пары модулей выполнено как зеркальное отображение второго из пары, а двухтактные термодинамические циклы, проходящие в них в этот момент обратно противоположны.
Технический результат заключается в создании конструкции ДВС с более эффективным преобразованием тепловой энергии в механическую работу, когда за счет реализации конструктивных решений и не только, происходит увеличение крутящего момента, причем после каждого рабочего цикла, имея при этом лучшую равномерность вращения, необходимый диапазон экологичности и уровень шума при работе, технологически простых решениях при сборке.
Краткое описание чертежей.
На фиг.1-6 представлена принципиальная кинематическая и конструктивная схема сборки ДВС «НОРМАС-МХ-43». С целью упрощения пояснений взаимодействия деталей и элементов, входящих в послойный разрез, а также для краткого описания взаимосвязи и последовательности их соосного расположения при сборке и предопределило введение в данное описание ДВС - модулей с присвоением им соответствующей маркировки.
Введение в описание модулей определяется устойчивой совокупностью похожих свойств, стоящих при конструировании заявленного ДВС и позволило при наборе необходимой выходной мощности и крутящего момента обеспечить оптимальный вариант компоновки на любом современном моторном заводе, сохраняя при этом без особых изменений технологию сборки, инфраструктуру и квалификацию персонала.
Самым существенным в заявленной конструкции двигателя внутреннего сгорания является, конечно, вписанная в его кинематическую схему конструкция сдвоенных поршней 4, которые своей конструктивной поверхностью при возвратно-поступательном движении обеспечивают протекание необходимых термодинамических процессов сразу в двух камерах сгорания с центром в точке 2. Сдвоенные поршни 4 двухстороннего действия, так как в работе задействованы обе стороны конструктивной поверхности поршня, при этом каждый сдвоенный поршень 4 имеет двухстороннее расположение шаровых узлов 12 сочленения с дезаксиальными (величина дезаксажа - e) КШМ двигателя.
Нагрузки, которые появляются при работе данного ДВС от элементов шатунно поршневой группы передаются дезаксиальному КШМ в основном через обоймы с шариками 3 качения, которые располагаются во встроенных в корпус каретках или в направляющих дорожках качения (на фиг.1-6 не обозначены, а лишь условно увеличен размер зазора), причем, чем диаметр шариков 3 качения меньше, тем меньше и площадь контакта, и меньше потери на трение. Заметим, что компоновка данного ДВС такова, что позволило значительно снизить площадь уплотнений 11, при этом даже возможные перетекание рабочего тела во внутрикартерный объем минимальны и не так существенны для создания необходимой компрессии.
А если как-то попробовать перенести аналогию работы керамических прокладок, что расположены в различного рода кранах под давлением на наш случай, то увидим, что более предпочтительнее, чтобы в поперечном сечении сдвоенные поршни 4 имели полуцилиндрическую форму исполнения с плоскими боковыми поверхностями, данная форма оптимально обеспечивает разделение термодинамического цикла, протекающего сначала в камерах сгорания двигателя, а затем в сдвоенных в центре с точкой 0 полостях продолженного расширения роторов 8.
Как для целей центровки, так и для смягчения жесткого импульса выхода элементов КШМ из сектора «мертвых» углов сдвоенный поршень 4 оснащен внутренним цилиндрическим по форме дополнительным подпружиненным поршнем 14, размещенным внутри тела данных сдвоенных поршней 4 и связанного подвижной тягой с золотником 6, узлами сочленения 12 и шатуном 10 с коленчатым валом 13, имеющий возможность ограниченного перемещения при расчетном давление газов в камере сгорания. Ограниченное перемещение внутреннего дополнительного поршня 14 обеспечивается и подобранной величиной сжатия пружины 5, расчетным соотношением площадей днища внутреннего поршня 14 и общей площадью днищ поршней 4, и положением золотника 6, наличием подвижной тяги с золотником 6, которые при расчетном давлении газов в камере сгорания через окно 28 и реализуют ограниченную величину перемещения внутреннего дополнительного поршня 14 и способствуют более быстрому выходу элементов КШМ из «мертвых» углов и осуществлению более эффективной передаче усилий от шатунно поршневой группы на элементы коленчатого вала 13. Причем только расчетные размеры толщины каждого модуля в конструкции заявленного ДВС, представленные на фиг.1-6, обеспечивают наиболее полную реализацию превращения химической энергии от сгорания топливной смеси в механическую работу.
А чтобы в двигателе происходило эффективное сгорание, конструкция камеры сгорания снабжена устройством 20 для впуска и регулирования компонентов продувки или топливной смеси, и узлом 23, где происходит процесс забора воздуха, затем в подпоршневых полостях 22 с золотником 21 цилиндрической формы - промежуточное сжатие воздуха или газовоздушной смеси, а также регулирование поступающей газовоздушной смеси краном 17, позволяющие в некоторых пределах изменять количество и качество данной смеси, тем самым улучшить газообмен.
Цилиндрической формы устройство 20 неподвижно закреплено на корпусе, а для осуществления вышеперечисленных процессов в устройстве 20, в центре которого расположена форсунка или свеча 1, предусмотрены окна 18 пропуска компонентов продувки или топливной смеси, разделительная перегородка 15, которые при возвратно-поступательном линейном перемещении сдвоенных поршней 4 взаимодействуют с перепускными внутренними полостями 16 сдвоенного поршня 4, одновременно цилиндрическая конструкция устройства 20 является и направляющей для сдвоенных поршней 4. Для герметичности мест, где возможны какие-либо протекания рабочего тела, как и в устройстве 20 смонтированы сильфоны 19.
Отличительной особенностью заявленного двигателя данной компоновки от обычного ДВС является то, что отдельного элемента конструкции привычно называемого - «цилиндром» в названном двигателе нет, а есть, как сообщалось выше, - встроенные в корпус каретки или направляющие дорожки качения с обоймами из шариков 3 качения.
Введение в конструкцию шатунно поршневых группы заявленного ДВС шаровых узлов 12 сочленения значительно уменьшило «вредную» составляющую при разложении воспринимающих поршнем сил. Усилия на элементы коленчатого вала 13 происходят под разными углами к осям, что более эффективно, и непременно влияет на равномерность вращения, когда увеличивается суммирующий крутящий момент, при этом в расчетах не будут сильно завышены диаметры валов, серьезно уменьшились механические потери на трение, то есть появились условия, когда не очень требуется применение сложной системы смазки.
Конструкция заявленного двигателя выполнена таким образом, что по пути движения выхлопных газов обеспечивается необходимое суммирование оптимально-максимального крутящего момента на валах 29,30 и его плавная передача на вал отбора мощности от синхронизирующих модулей 26, с размещенными там шестеренчатыми или цепными зацеплениями, а также с помощью цепных передач 25, причем после каждого рабочего цикла. А частота вращения вала отбора мощности ДВС определяется в основном от количества и качества сгорания топливной смеси.
Чтобы уменьшить вибрацию и добиться необходимую равномерность вращения при достигнутом крутящем моменте ДВС снабжен парным количеством модулей, причем кинематическая схема и геометрическое расположение осей и элементов первого из пары модулей выполнено как зеркальное отображение второго из пары, а двухтактные термодинамические циклы, проходящие в них в данный момент противоположны, то есть элементы дезаксиального КШМ первого из пары модулей смещены на 180* относительно второго модуля. Необходимое количество парных модулей зависит от требуемой мощности.
Присоединительные места стыковки и крепления модулей нафиг.6 не указаны, хотя привязаны ко всем осям вращения и расположены в той необходимой соосной последовательности, что обеспечило конструкции двигателя оптимальную высокую наработанную технологичность при сборки и предопределило последовательное протекание термодинамических процессов в двигателе, обеспечивающих достижение необходимого технического результата. Все модули на фиг.1-6 представлены с условной толщиной, так как толщина любого модуля всегда расчетная величина.
Осуществление полезной модели.
Заявленный ДВС работает по двухтактному циклу, то есть за один оборот коленчатого вала происходит наполнение полости между поршнями воздухом или горючей смесью, сжатие ее встречно движущимися поршнями, сгорание смеси и последующее ее расширение.
Работа заявленного двигателя осуществляется следующим образом. При движении сдвоенных поршней 4 от центра камеры сгорания с точкой 2 полости сечения выхлопных окон 7 через перепускной газоход 27 соединяются с сдвоенными в центре с точкой 0 полостями продолженного расширения двухлопастных роторов 8, а так как вращающие лопасти роторов 8 соосно соединены и также синхронно вращаются с коленчатым валом 13 ДВС, этим и обеспечивается суммирование дополнительного крутящего момента от продолженного расширения выхлопных газов в роторах 8, причем после каждого рабочего цикла.
Когда вал отбора мощности поворачивается еще на определенный угол и при этом телом сдвоенных поршней 4 еще не закрылись выпускные окна 7, через внутренние полости 16 внутри сдвоенных поршней 4 и окна 18 пропуска устройства 20 начинается прямоточная продувка свежей порцией воздуха или газовоздушной смесью полостей между поршнями 4, при этом также осуществляется и теплосъем излишнего тепла со стенок поршней 4. Прямоточная продувка-это лучший вариант продувки, при этом воздух или газовоздушная смесь, проходя через окна 18 пропуска, движется интенсивным потоком, лучше вытесняя продукты сгорания предыдущего рабочего цикла, при этом значительно улучшается процесс газообмена, а повышенное давление продувки напрямую увеличивает наполняемость полостей между поршнями 4 топливной смесью, и что также в конечном итоге несколько увеличивает крутящий момент.
Когда сдвоенные поршни 4 закрывают выпускные окна 7, а внутренние перепускные полости 16 перестают перепускать поступающий воздух или газовоздушную смесь, начинается процесс сжатия, причем одновременно в двух камерах сгорания. Следует заметить, что снабжение названного ДВС устройством 20 для впуска компонентов продувки или топливной смеси и краном 17 для регулирования впуска данных компонентов, способствует изменению состава топливной смеси, при этом улучшается газообмен тем самым обеспечивается и некоторое регулирование крутящего момента.
Подача и воспламенение топливной смеси в заявленном ДВС происходит одновременного в двух камерах сгорания, а наличие дополнительных внутренних поршней 14 препятствует распространению детонации, когда в них протекают процессы расширения рабочего тела.
Рабочий ход (такт расширения) начинается от давлением расширяющихся газов сгоревшей топливной смеси. С учетом расположения точек геометрического сопряжения, определивших основные пропорции шатунно поршневой группы и ротора 8, выявлено, что воспламенение горючей смеси более целесообразно в сегменте угла поворота вала от вертикальной оси в районе угла 18*-31*, в противном случае суммарное усилие, возникшее при перемещении поршней, не столько преобразуется в механическую работу вращения валов 29 и 30, потому что составляющая радиуса приложения сил очень мала, а лишь приводит к максимальным нагрузкам элементов шатунно поршневой группы и КШМ, а также к тепловым перегрузкам конструкции, при этом одновременно происходит и уменьшение продолжительности рабочего цикла, характерное для двигателей обычного исполнения.
Чтобы сгладить негативные моменты от приложения вышеперечисленных максимальных усилий после быстро протекающей реакции воспламенения (взрыва) горючей смеси и обеспечить сбалансированную работу всего двигателя, каждый сдвоенный поршень 4 оснащен внутренним подпружиненным дополнительным поршнем 14, связанного подвижной тягой с золотником 6, узлами 12 сочленения и шатунами 10 с коленчатым валом 13, имеющий возможность ограниченного перемещения, когда расчетное давление газов в камере сгорания проходя через окно 28 преодолевает усилие пружины 5, что способствует более уравновешенному приложению нагрузок на элементы шатунно поршневой группы, смягчает жесткий импульс от взрывного и быстрого сгорания топливной смеси, растягивая продолжительность рабочего цикла.
При движении сдвоенных поршней 4 от центра камеры сгорания с точкой 2 наступает момент, когда вновь полости сечения выхлопных окон 7 через перепускной газоход 27 соединяются с полостями расширения роторов 8 и все повторяется вновь. Близкое расположение перепускных газоходов 27 и сдвоенных полостей продолженного расширения роторов 8 минимизирует неактивную площадь конструкции при расширении выхлопных газов, увеличивается эффективность процесса расширения, уменьшаются тепловые потери и достигается лучшая компактность ДВС.
Создание потока выхлопных газов в роторе 8 реализуется за счет профилирования вращающих лопастей ротора 8, для этого в каждый ротор могут быть введены несколько одинаковых по форме и размерам лопасти с внутренними пустотами 9, выполненные в форме полуцилиндров и со сквозными отверстиями в боковой поверхности, а сами вращающие лопасти 8 могут быть сочленены попарно осями симметрии, а затем соосно или частично соосно соединены с элементами КШМ двигателя. Пустоты 9 выполнены для облегчения веса и увеличения активной боковой площади вращающих элементов ротора 8, а выполненные сквозные отверстия в боковой поверхностью вращающих лопастей ротора 8 в районе этих пустот 9 обеспечивают проникновение в эти пустоты определенного объема выхлопных газов от расширения.
Достаточно существенным и важным оказалось расположение мест уплотнений 11, причем в конечном счете всякая, конечно, если не очень сильная, протечка рабочего тела лишь увеличивает давление в полостях продолженного расширения роторов 8, что в конечном случае тоже опосредовательно сказывается на увеличении крутящего момента или уже достигается определенное постоянство крутящего момента мало зависящее от больших внутренних протечек выхлопных газов в двигателе.
Исходя из геометрических закономерностей построения, минимизации неактивной площади сдвоенных поршней 4, оправданных технологических предпосылок и большей компактности сдвоенные поршни 4 заявленного ДВС могут быть выполнены не цилиндрической, а полуцилиндрической формы исполнения с плоскими боковыми поверхностями с возможностью обеспечения сдвоенным поршням 4 движения в основном с трением качения, при этом соседние модули разделены между собой плоскими торцевыми перегородками с элементами крепления и вырезами для вращения валов и перепускных газоходов 27. Все вышеперечисленное реально уменьшает неактивную площадь боковых поверхностей (длина хорды всегда меньше длины дуги по окружности) и потери на трение при возвратно-поступательном движении сдвоенных поршней 4.
То есть видно, что за счет наличие в заявленной конструкция ДВС «НОРМАС-МХ-43» введенной конструкции ротора 8, новых конструктивных элементов, их взаимосвязь, взаиморасположение и не только обеспечивают полезной модели ДВС получение необходимых технических результатов, в том числе - увеличение крутящего момента, причем после каждого рабочего цикла.
От расчетных размеров вращающих лопастей ротора 8 во многом зависит и степень продолженного расширения выхлопных газов в роторе 8 и степень разделения термодинамического цикла. Атак как давление выхлопа из ротора 8 почти равно атмосферному, то есть при это существенно снижается и шум на выходе из ДВС.
Выхлопные газы после прохождения ротора 8 из полостей 24 ротора поступают в сборный выхлопной патрубок (на фиг.1 не показан).
Следует заметить, что предложенная рациональная конструкция элементов, введенных в заявленный ДВС, реально улучшает и качественные показатели происходящих процессов достигается и более полное удаление продуктов сгорания и их объемный перенос в полости 24 ротора 8, при этом обеспечивается и более качественный газообмен, наполнение цилиндров топливной смесью, последующее ее сжатие и сгорание.
Все валы в названном ДВС, в т.ч. и промежуточные паразитные валы 31, 32 вращаются в закрепленных в корпусе или на разделительных перегородках коренных подшипниках качения. Впрочем, вращение лопастей ротора 8 не нуждается в дополнительной синхронизации, так как вращающие лопасти ротора 8, имеющие в поперечном сечении восьмиобразную форму и взаимодействующие друг с другом при этом одновременно обеспечивают и передачу в одном направлении усилий от одного вала другому, обеспечивая при минимальных зазорах безударность, низкую механическую напряженность деталей-то есть высокую надежность и значительный моторесурс ДВС.
Таким образом, признаки как известные, так и описанные в заявленном техническом решении и объективно проявляющие в данной конструкции двигателя образуют совокупность, ранее неиспользовавшуюся в наиболее близких аналогах двигателей, что позволяет считать заявленную конструкцию двигателя внутреннего сгорания «НОРМАС-МХ-43» соответствующую критериям «существенные отличия и новизны ».