ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ "НОРМАС-МХ-02"

Полезная модель относится к энергомашиностроению, в частности к объемным двигателям внутреннего сгорания (ДВС), оснащенных устройствами, которые улучшают преобразование тепловой энергии и может быть использовано 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 переход работы в режим компрессора - устройства для создания избыточного давления рабочего тела или детандера-устройства для редукции давления рабочего тела.
Уровень техники.
Известен двухтактный, V-образный, двухвальный дизельный двигатель жидкостного охлаждения с вертикальным расположением цилиндров и встречно-движущимися поршнями в каждом цилиндре и камерой сгорания, расположенной между поршнями - Junkers «JUMO 205». В указанном двигателе поступательное движение верхних и нижних поршней преобразуется во вращательное при помощи своего шатуна и своего коленчатого вала, связанных между собой силовой синхронизирующей, передачей и передающей вращение на один приводной вал. При этом нижние поршни связаны с нижним коленчатым валом посредством шатунов, а верхние - с верхним коленчатым валом посредством тяг и шатунов.
Из патента RU 2168046 C2, опубл. 27.05.2001 известна силовая установка, содержащая поршневой ДВС, паровую поршневую машину, связанные механически в силовой агрегат, и утилизационную часть, преобразующую тепловые потери ДВС в пар для паровой поршневой машины. При этом в силовом агрегате суммируется механическая энергия, полученная от поршней ДВС и паровой машины в форме возвратно-поступательного движения и передается далее через промежуточное устройство или непосредственно потребителю.
Известны, также, силовые установки, использующие теплоту отработанных газов для работы двигателя, мощность которого используется для привода генератора, вырабатывающего электроэнергию - заявка SU 20060260562 A1, опубл. 23.11.2006.
Наиболее близким аналогом представленной полезной модели является силовой агрегат, в котором турбина продолженного расширения связана с выходным валом V-образного поршневого ДВС с помощью планетарного механизма, раскрытый в патенте RU 2117170 С1, опубл. 10.08.1998.
Недостатком выбранного прототипа являются увеличенные габариты, сложность механизма передачи вращающего момента от вала компаундной турбины к выходному валу, ограниченная удельная мощность ДВС и неполная очистка цилиндров во время такта выпуска и шумность.
Следует также отметить, что работоспособный тепловозный дизель 2Д100 со встречно-движущими поршнями так и уже современный двигатель компании EcoMotors OPOS - ЕМ 100, содержащий два оппозиционно расположенных цилиндра с встречно - движущимися поршнями с шатунными тягами и механизмом преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение одного коленчатого вала в изготовлении достаточно сложен.
Недостатком данных двигателей является и сложная компоновка, не обеспечивающая улучшение процессов сгорания, а также то, что повышение мощности N, не увеличивая рабочий литровый объем, происходит по весьма малоэффективному пути - за счет увеличения скорости рабочего органа или частоты вращения вала - n (формула 2), порой с применением дорогостоящих редукторов, а не за счет прямого увеличения крутящего момента после каждого рабочего цикла на одном валу отбора мощности, как в предлагаемой конструкции двигателя.
Раскрытие полезной модели.
Технической задачей при разработке полезной модели выбраны критерии, которые при большем крутящем моменте на валу отбора мощности обеспечат надежность, простоту и компактность конструкции, при малом числе составляющих компонентов - высокую наработанную технологичность сборки и легкость ремонта, имеющую при этом высокую удельную мощность и обеспечивающего максимальное преобразование тепловой энергии от сгораемого топлива в механическую работу, имея при этом необходимый диапазон экологичности.
Крутящий момент - это сила, умноженная на плечо ее приложения, который создает главный рабочий орган двигателя и передает ее на вал отбора мощности двигателя, является важнейшим динамическим показателем и характеризует тяговые возможности 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 данной сила.
В тепловых двигателях преобразующих давление от продуктов сгорания в механическую работу невозможно достичь максимальный крутящий момент, не обеспечивая постепенное увеличение площади движущих элементов двигателя, воспринимающих попутное давление от продуктов сгорания. Данное заключение легко видно из известной формулы крутящего момента
где: Р - давление, F - активная площадь, R - радиус действия силы, из которой следует, что идеальный механизм преобразования силы от давления при сгорании рабочего тела во вращательное движение коленчатого вала обеспечиваться за счет необходимого роста активной площади F, через которую передается усилие на коленчатый вал или за счет растущего радиуса R приложения силы, что и обеспечит максимально возможный Мкр., причем после каждого рабочего цикла двигателя. Данное утверждение предопределило и конструкцию названного двигателя, как двигателя, содержащего в корпусе не менее двух наклонных цилиндров с двумя противоположно движущими поршнями в каждом цилиндре, где данное утверждение реализуется наиболее полно.
В основу полезной модели поставлена техническая задача повышения эффективности работы двигателя, за счет введения новых элементов конструкции и создания новых связей между существующими элементами конструкции, которые позволили осуществить не только более полное удаления продуктов сгорания из цилиндров (14), а также реализовать их продолженное расширение в роторе (8), причем после каждого рабочего цикла, при увеличении активной площади движущих элементов конструкции и радиуса действия сил, воспринимающих давление выхлопных газов, что в конечном итоге позволило повысить крутящий момент Мкр. на одном валу отбора мощности двигателя и стало быть мощность N так как
где n - частота вращения хвала.
Увеличение мощности двигателя происходит разными способами. Самый «примитивный» - увеличение рабочего объема цилиндра отжил себя. Увеличение максимального числа оборотов позволяет лишь временно увеличивать мощность без серьезного изменения крутящего момента. Изменение фаз газораспределения увеличивает крутящий момент, за счет их временного сдвига в зону «нужных» оборотов. Применение турбо- или механического наддува, как и самый изощренный способ - возможность изменения степени сжатия бесспорно приводит к увеличению крутящего момента в двигателях, конечно при этом с равным рабочим объемом цилиндров. Поставленная техническая задача предопределило и выбор двухтактного ДВС, где усилие создается каждый второй ход поршня.
Решением поставленной технической задачи является ДВС, включающий: общий корпус, один вал отбора мощности, не менее два наклонных цилиндра, противоположно движущиеся нижние и верхние поршни, размещенные в каждом цилиндре, общие камеры сгорания, расположенные между поршнями, по центру которых с одной стороны расположено устройство для впуска необходимых компонентов продувки и топливной смеси, кривошипно-шатунные механизмы (КШМ) с шатунами, сочлененные через шаровой шарнир с нижними поршнями и посредством тяг с верхними поршнями, газораспределительный механизм, конструктивно совмещенный с тягами верхних поршней и направляющими движения, при этом ДВС содержит встроенный в общий корпус вдоль горизонтальной оси и размещенный между наклонными цилиндрами двухвальный ротор, внутри корпуса, составленного из двух полуцилиндров, вращаются два симметричных двухлопастных элемента ротора с внутренними пустотами, выполненные в форме полуцилиндров со сквозными отверстиями в боковой поверхности, расположенными между торцевыми поверхностями вращающих элементов ротора, причем нижний вращающий элемент ротора размещен и соединен соосно с КШМ нижних поршней и валом отбора мощности, а верхний вращающий элемент ротора размещен и соединен соосно с КШМ верхних поршней цилиндров ДВС.
В заявленном ДВС могут быть применены деаксиальные кривошипно-шатунные механизмы.
В ДВС, из закономерностей геометрического построения, могут быть использованы следующие основные величины КШМ: длина шатуна L=73 ед., ход поршня S=42 ед., диаметр поршня D=57 ед. или 73 ед., в зависимости от угла развала цилиндров («ед» - единица длины).
Технический результат при использовании заявленной полезной модели ДВС заключается в более эффективном преобразовании тепловой энергии от сжигания топливной смеси в механическую работу, повышении удельной мощности ДВС при аналогичном расходе топлива, улучшении продувки цилиндров, причем после каждого рабочего цикла, и снижении шума.
По устройству, принципу действия и по типу используемого топлива, с целью максимальной эффективности более целесообразно использовать заявленную полезную модель ДВС как двухтактный, газодизельный двигатель - где одна из порций топливной смеси приготавливается как в одной из разновидностей газовых и дизельных ДВС. Предпочтение отдается дизельному варианту, так как отличительной особенностью дизеля является впрыск топливной смеси растянутый по времени относительно угла поворота и при противоположном (180*) расположении шатунных шеек кривошипных механизмов на коленчатом валу.
В названном ДВС две оси с противоположным направлением вращения, причем относительно осей вращения общий вектор действия результирующих сил, создаваемых от расширения газов в цилиндрах (14) и продолженного расширения выхлопных газов в правой полости ротора (8) направлен в одну сторону и по ходу (по стрелке) вращения данной оси.
Близкий аналог конструкции ротора, применяемого в данном случае, - это ротационный счетчик газа марки РТК-Ех с двумя восьмиобразными (в сечении имеющие форму восьмерок) роторами. Известны двухроторные компрессоры, объемные нагнетатели, механические насосы серии ДВН, или, как их часто называют за рубежом, насосы Рутса, внутри корпуса которых как правило, составленного из двух полуцилиндров, вращаются в противоположных направлениях два идентичных двухлопастных восьмеркообразных ротора, обеспечивая высокую производительность насоса, причем при этом между корпусом и лопастями выдерживаются минимальные зазоры и при этом почти полностью отсутствует трение.
Краткое описание чертежей.
На фиг.1 представлена кинематическая схема и послойный разрез ДВС «НОРМАС - MX - 02» с двумя осями вращения. Точка «Б» лежит на нижней оси вращения, которая является одновременно и осью вращения нижнего коленчатого вала и осью вращения нижнего вращающего элемента ротора (8). Точка «А» лежит на верхней оси вращения, которая является одновременно и осью вращения верхнего коленчатого вала и осью вращения верхнего вращающего элемента ротора (8). Вдоль левой ближней наклонной оси с точками «Е» и «К» и правой дальней наклонной оси с точкой «Н» расположены левый ближний и правый дальний цилиндры (14) соответственно с размещенным в каждом цилиндре нижним (11) и верхним (3) противоположно движущимися поршнями. Между наклонными левым ближним и правым дальним цилиндром (14), вдоль вертикальной оси с точками «Б», «О», «А», «С» размещен двухвальный ротор (8).
Двигатель включает: общий корпус, один вал отбора мощности, не менее два наклонных цилиндра (14), противоположно движущиеся нижние (11) и верхние (3) поршни, размещенные в каждом цилиндре, общие камеры сгорания (12), расположенные между поршнями, по центру которых с одной стороны расположено устройство (7) для впуска необходимых компонентов продувки и топливной смеси, кривошипно-шатунные механизмы (КШМ) с шатунами (10), сочлененные через шаровой шарнир (13) с нижними (11) поршнями и посредством тяг (4) с верхними (3) поршнями, газораспределительный механизм (5), конструктивно совмещен с тягами (4) верхних (3) поршней и направляющими (2) движения, при этом ДВС содержит встроенный в общий корпус вдоль горизонтальной оси и размещенный между наклонными цилиндрами (14) двухвальный ротор (8), внутри корпуса, составленного из двух полуцилиндров, вращаются два симметричных двухлопастных элемента ротора с внутренними пустотами (9), выполненные в форме полуцилиндров со сквозными отверстиями в боковой поверхности и расположенными между торцевыми поверхностями вращающих элементов ротора, причем нижний вращающий элемент ротора размещен и соединен соосно с КШМ нижних (11) поршней и валом отбора мощности, а верхний вращающий элемент ротора размещен и соединен соосно с КШМ верхних (3) поршней цилиндров (14) двигателя.
Очень важным в конструкции названного двигателя, когда достигается оптимально-максимальный результирующий крутящий момент Мкр. составляет подбор размеров и соотношений чисто геометрических параметров -составляющих F и R в формуле (1), которые вытекают из просто необходимого построения оптимальных точек сопряжения движущих и вращающихся элементов двигателя.
Для максимально полной реализации превращения химической энергии от сгорания топливной смеси в механическую работу, а также для последующего расчета толщины вращающих элементов ротора (8), которые в конечном счете и предопределяют продолженное расширение в роторе, просто необходимо построение оптимальных геометрических контуров и точек сопряжения, заключающееся в следующем:
- построение начинается с центра координатной оси, которая совпадает с осью вращения вала отбора мощности двигателя «Б» и также является осью вращения нижнего элемента двухвального ротора (8);
- по вертикальной оси на расстоянии 50 ед. от оси вала отбора мощности находим точка центра ротора «О»;
- на расстоянии 123 ед. вверх и вниз от точки «О» находим крайние точки «С» и «Д» сопряжения внутренних поверхностей сопряжения корпуса и вращающих элементов ротора (8), при этом длина восьмиобразных вращающихся элементов ротора (8), как и расстояние «В-Г» внутренних поверхностей сопряжении корпуса составляют 146 ед.;
- центр вращения верхнего элемента двухвального ротора (8) является одновременно и осью вращения «А», которая образуется за счет преобразования возвратно-поступательного движения верхних (3) поршней с помощью направляющих (2) движения и тяг (4), расположенных с разных боковых сторон данного верхнего вращающего элемента ротора (8) и имеющего соответствующие размеры КШМ;
- угол развала осей наклонных цилиндров (14) в двигателе данной компоновки может составлять 90*, 108* или 120*. Для случая, когда угол развала составляет 120*, расстояние от центра камер сгорания (точка «Е») до оси вращения вала отбора мощности «Б» составляет 100 ед., причем точка «Е» находится в той же горизонтальной плоскости, что и точка центра ротора «О», хотя при этом расстояние «Oi-E»=86,5 ед.
Вышеперечисленные координаты точек позволяют в дальнейшем при проектировании, не нарушая общую концепцию построения, для увеличения мощности или выходного крутящего момента размещать соразмерные блоки и одинаковые модули не только в горизонтальной плоскости, как в обычных двигателях, но и в вертикальной плоскости, причем ключевые точки построения и привязки остаются прежними, как впрочем и основные размеры КШМ и ротора (8).
Вышеперечисленное сочетание точек сопряжения ротора (8), как и основные величины КШМ в названном двигателе вытекают исключительно из закономерностей геометрического построения и составляют следующие величины основных размеров КШМ: длина шатуна L=73 ед., ход поршня S=42 ед., диаметр поршня D=57 ед. или 73 ед., в зависимости от угла развала цилиндров, при этом радиус кривошипа R составляет 21,5 ед.
Учитывая то, что при построении важна пропорциональная зависимость элементов конструкции, а не истинные размеры, характеристики размеров указываются в «ед» - условная единица длины в мм. или см.
Сочленение шатуна с поршнем производится с помощью шарового шарнира, это позволяет снизить механические потери на трение и сводит к минимуму износ частей кривошипно-шатунного механизма, при этом отпадает необходимость в сложной системе смазки.
Верхняя часть конструкции названного двигателя на фиг.1. через полости соединена с объемом картера и является своеобразным узлом (1), где происходит регулирование процесса забора, промежуточное сжатие воздуха, а также финишируется приготовление, распределение и поэтапная подача через устройство впуска (7) компонентов продувки или рабочей смеси. Конструкция и расчетные размеры встроенного ротора (8) позволяют после предшествующего перемещения продуктов сгорания (режим дымососа), начинать продувку цилиндров (14) новой порцией воздуха с небольшой задержкой от еще незаконченного процесса выхлопа, причем с избыточным давлением и желательно с большой относительной влажностью - это позволяет закончится раньше всем неравновесным процессам сгорания и снизить на порядок концентрацию вредных веществ в выхлопе.
Осуществление полезной модели.
Работа названного двигателя осуществляется следующим образом. Вначале с небольшой задержкой во времени от еще незаконченного процесса выхлопа с помощью устройства впуска (7) начинается продувка свежей порцией воздуха одного из цилиндров (14). После прохождения своих мертвых точек верхним (3) и нижним (11) поршнями происходит процесс наполнения одного из цилиндров (14), а когда газораспределительный механизм (5) закрывает выпускные окна (6) на одном из цилиндров (14) начинается процесс сжатия топливной смеси.
После рабочего цикла двигателя тепловая энергия от сгорания топливной смеси в камере сгорания (12), которая является общей и представляет минимальное пространство между верхним (3) и нижним (11) поршнями, максимально эффективно преобразовывается во вращательную с помощью обычного или деаксиального кривошипно-шатунных механизмов (КШМ), затем при расширении выхлопных газов в роторе (8).
Полезная модель двухцилиндрового двигателя работает по двухтактному циклу, то есть за один оборот коленчатого вала происходит наполнение цилиндра воздухом или горючей смесью, сжатие ее двумя встречно движущимися поршнями, сгорание смеси и последующее ее расширение. Оба поршня в цилиндре (14) одновременно совершают рабочий ход, а затем они открывают свои окна выпуска - данная последовательность процессов в основном и совпадает в близких аналогах вышеперечисленных двигателей.
С учетом расположения точек геометрического сопряжения, определивших основные размеры кривошипно-шатунного механизма и ротора (8), определено, что воспламенение горючей смеси происходит в сегменте угла поворота вала от вертикальной оси в районе угла 31*-36*, в противном случае суммарное усилие, возникшее при перемещении поршней, не столько преобразуется в механическую работу вращения вала отбора мощности, потому что составляющая R в формуле (1) очень мала, а лишь приводит к максимальным нагрузкам элементов шатунно-поршневой группы и кривошипно-шатунного механизма и потерям, а значит и к тепловым перегрузкам конструкции. Правда, при этом одновременно происходит и уменьшение продолжительности рабочего цикла, характерное для двигателей обычного исполнения. А наличие в конструкции названного двигателя газораспределительного механизма (5) в каждом цилиндре (14) предусмотрительно обеспечивает эффективное перераспределение энергии от сгорания и расширения топливной смеси в цилиндре (14) и при продолженном расширении выхлопных газов во встроенном роторе (8). Для того, чтобы сгладить негативные моменты от приложения максимальных усилий после воспламенения горючей смеси, в кинематике названного двигателя предпочтение отдается дезаксиальному КШМ с углом дезаксажа е=18*, величина которого также вытекает из вышеприведенного геометрического построения точек сопряжения.
Сила давления расширяющихся газов на нижний (11) поршень раскладывается на «полезную» составляющую силу, действующую вдоль шатуна и обеспечивающую крутящий момент на коленчатый вал, и «вредную», направленную перпендикулярно оси цилиндра и прижимающую поршень к стенке. Чтобы уменьшить «вредную» составляющую нижняя часть поршней через шаровой шарнир (13) сочленена с качающейся частью шатуна (10) нижних (11) поршней, а верхние (3) поршни сочленены также через шаровой шарнир (13) с тягами (4). Введение в конструкцию шатунно-поршневого узла шаровых шарниров (13) реально снизило механические потери в КШМ названного двигателя на трение, за счет почти полного исключения реакции шатуна (10), прижимающую поршень к стенке цилиндра (14), особенно в конструкции верхних (3) поршней.
Процесс выхлопа выхлопных газов из цилиндра (14) начинается только после силового взаимодействия на газораспределительное устройство (5) посредством тяг (4) верхнего (3) поршня, когда достигается необходимое открытие сечения окон выхлопа (6) на цилиндре (14) и соответствующих окон выпуска на газораспределительном механизме (5).
Временные интервалы или продолжительность процессов выпуска отработанных газов, последующей продувки свежей порцией воздуха каждого цилиндра (14) определяются расположением окон на газораспределительном механизме (5), которые регулируют начало, продолжительность и окончание процессов выпуска отработанных газов и последующей продувки цилиндров (14) свежим зарядом воздуха.
Размещение двухвального ротора (8) вдоль горизонтальной оси между наклонными цилиндрами (14) минимизирует длину и боковые поверхности газоходов (15), по которым выхлопные газы из цилиндров (14) поступают в двухвальный ротор (на фиг.2 расчетные места соединения газоходов (15) с ротором (8) показаны условно), что обеспечивает уменьшение потерь давления выхлопных газов и достигается необходимая компактность ДВС.
Выхлопные газы из цилиндра (14), пройдя через выпускные окна (6) цилиндра (14) и окна на газораспределительном механизме (5) этого же цилиндра (14) сразу поступают по коротким газоходам (15) (фиг.2) в боковую правую полость ротора (8), где происходит их продолженное расширение, и что создает дополнительный крутящий момент на валах ротора (8). Суммирование крутящего момента на валах ротора с крутящим моментом от кривошипных механизмов приводит к увеличению крутящего момента на валу отбора мощности, причем после рабочего хода.
Создание потока выхлопных газов в роторе (8) может быть реализовано за счет профилирования вращающих элементов ротора (8) или установкой дополнительных направляющих лопастей во внутренней поверхности ротора.
Конструктивные элементы КШМ ДВС кинематически взаимосвязаны и соосны с вращающими элементами двухвального ротора (8), что позволяют в период, когда поршни проходят свои НМТ добится, чтобы составляющая Р-давление в формуле (1) с ее направленностью была минимальной, за счет быстрого перепуска выхлопных газов по газоходам (15) в правую полость ротора (8), где осуществляется их продолженное расширение, причем при этом происходит и необходимое изменение вектора направленности действия этих сил, которые и увеличивают крутящий момент на валу отбора мощности в данный момент.
Вращающие восьмиобразные элементы ротора (8) выполнены аналогично вращающим элементам роторного нагнетателя Рутса, но в конструкции предложенных предусмотрены пустоты (9), выполненные для облегчения веса и увеличения активной боковой площади вращающих элементов ротора (8), если выполнены сквозные отверстия в боковой поверхностью вращающих элементов ротора в районе этих пустот (9). От всех расчетных размеров вращающих элементов ротора (8) во многом зависит степень продолженного расширения выхлопных газов в роторе.
После прохождения газоходов (15) и продолженного расширения выхлопных газов в правой полости ротора (8) при дальнейшем повороте вращающих элементов ротора (8) последует их объемный перенос в левую полость ротора (8). Затем при определенном давлении через устройства впуска (7) начинаться продувка цилиндров (14) свежей порцией воздуха, а с деталей ДВС происходит теплосъем излишней тепловой нагрузки. А так как давление выхлопа из правильно рассчитанного ротора (8) почти равно атмосферному существенно снижается и шум на выходе из двигателя.
Одновременно следует заметить, что предложенная конструкция реально улучшает качественные показатели процессов, происходящих в названном ДВС - это когда за счет работы ротора (8), как дымососа, когда правильно рассчитаны размеры вращающих элементов ротора (8), достигается и более полное удаление из цилиндров (14) продуктов сгорания и их объемный перенос из правой полости ротора (8), где происходит их продолженное расширение в левую полость ротора (8) с почти атмосферным давлением. Причем при этом обеспечивается и полезная последующая продувка каждого цилиндра (14) свежей порцией воздуха, и решаются вопросы интенсивного теплообмена элементов ДВС, затем, естественно, происходит и более качественное наполнение цилиндров (14) топливной смесью, последующее ее сжатие и сгорание.
Следует также отметить, что на валах ротора (8) с торцов, где в корпусе находятся коренные подшипники качения установлены и синхронизирующие вращение шестерни (на фиг.1, 2 не показаны), хотя вращение элементов ротора (8) не нуждается в дополнительной синхронизации, так как вращающие элементы ротора (8), имеющие в поперечном сечении восьмиобразную форму взаимодействуют друг с другом и при этом происходит одновременно и передача усилий от одного вала другому.
Таким образом, признаки предложенной полезной модели как известные, так и описанные в данной модели двигателя образуют совокупность, ранее неиспользовавшуюся, в вышеперечисленных наиболее близких аналогах двигателей, что позволяет считать предложенную полезную модель двигателя соответствующую критерию «новизны».