Двигатель внутреннего сгорания "НОРМАС" N 30
”NORMAS” NO. 30 INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Заявленная конструкции двигателя относится к области энергомашиностроения, а именно к промышленно применимым объемным двигателям внутреннего сгорания (ДВС), а при определенных изменениях в конструкции возможен и перевод его работы в режим компрессора - устройства для создания избыточного давления рабочего тела или детандера - генерирующего устройства для редукции давления рабочего тела и получения мощности на выходном валу.
Наиболее близким к заявленному варианту конструктивно является ДВС (а.с. №828780) содержащий, по меньшей мере, одну пару цилиндров с возвратно поступательно движущимися поршнями и головку, в которой размещен один периодически сообщающийся с цилиндрами, газораспределительный золотник цилиндрической формы, снабженный общей для обоих цилиндров камерой сгорания и кинематически связанный с коленчатым валом двигателя, при этом с целью повышения экономичности путем 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.
Недостатками прототипа являются то, что при продолженном расширении в нем, не изменяя геометрические параметры углов относительно кривошипа, не удается очень направленно и наиболее полно реализовать преимущества качественного газообмена и продолженного расширения на более энергоэффективном уровне.
Задача, которая реализуется в предлагаемом изобретении, предопределила выбор двухтактного ДВС, где увеличенные величины крутящего момента создаются не только во время, но и после каждого второго хода поршня, а также по мере нарастания активной площади введенных устройств и качественного газообмена.
При проработке технической задачи, на решение которой направлено конструктивное выполнение как предыдущих вариантов ДВС «НОРМАС» с приоритетом, начиная от 25.10.2011 г., так и заявленного варианта ДВС по сути является расширение кинематических возможностей ДВС, которые предполагают полезную многофункциональность, чтобы при этом сохранить четко отлаженную термодинамику, проходящих в ДВС процессов с повышением надежности конструкции, и чтобы без применения редуктора обеспечить максимально возможный крутящий момент на валах отбора мощности устройства.
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 для приведения в действие вспомогательных механизмов. Если попробовать объяснять просто, то крутящий момент-это то, что на самом деле толкает машину вперед, а мощность - это то, что этот крутящий момент производит.
Крутящий момент является важнейшим эффективным динамическим показателем и характеризует тяговые возможности двигателя. Его величина в основном зависит от среднего эффективного давления сгорания топлива, геометрических величин активной площади рабочих органов и плеча приложения усилий.
Для того, чтобы подтвердить взаимосвязанное функционально - конструктивное образующее единство изобретения представлены графические материалы, а для упрощения пояснений взаимодействий деталей и элементов, входящих в послойные разрезы, а также для краткого описания взаимосвязи, местоположения при сборке предопределило введение понятия - модуль, которое определяется как полезная и устойчивая совокупностью похожих свойств при конструировании ДВС. Корпус 27 заявленного ДВС собран из модулей с рабочим ходом, с ранним продолженным расширением выхлопных газов, а также с введением необходимого модуля синхронизации вращения и элементов натяжения цепей, и механических блокировок, хотя последние легче реализовать по сути, чем изобразить графически. Краткое описание удобнее начать с модуля синхронизации вращения, который упрощенно изображен на фиг.1 связанно с координатной сеткой, в который в основном входят в зависимости от расчетных параметров нагрузки и резерва необходимое число пар цепных передач 21, включающих по четыре звездочки 22. С целью понятного и единого восприятия, а также для быстрого распознавания расположения деталей на графических материалах на координатной сетке необходимо максимально упростить и исключить множество ненужных повторений и обозначений, взяв за основу построения связанное местоположение характерных точек на координатной сетки и конкретных элементов ДВС.
На фиг.1 легко заметить, что двенадцать точек вышеупомянутой координатной сетки выявляются (образуются) как следствие пересечения (сплетения) семи больших кругов (круг - часть плоскости, ограниченная окружностью) одного диаметра с двумя параллельными прямыми, при этом применена простая логика подходов к системе маркировки этих двенадцати точек.
Так как легко заметить, что точки 00 и 11 на фиг.1 расположены точно на линии зеркального отображения частей данной координатной сетки, одновременно является одними из осевых центром двух валов вращения и взаимодействия ранее упомянутых и подтвержденных расчетами - двух пар цепных передач 21, в составе каждой цепной передачи 21 имеют возможность вращаться по четыре звездочки 22. Точки 01 и 02 всегда расположены в центрах объема камер сгорания цилиндров 17 модулей с рабочим ходом, а точки 03 и 04 расположены в центрах объема полости эспандерных цилиндров 18 над поршнем 16 в момент начала продолженного расширения. А на одинаковых расстояниях от этих центров расположены осевые центры валов вращения кривошипов 13 (точки 05 и 06) - модулей с рабочим ходом, а (точки 07 и 08) - модулей с ранним продолженным расширением соответственно. Кривошипы 13 смонтированы между двумя боковыми цилиндрической формы щеками (на фиг. 2-4 не обозначены), которые в свою очередь имеют возможность вращаться в сборной конструкции межмодульных перегородок и узлов корпуса 27.
Осевые центры валов с точками 09 и 10 на фиг.1 расположены на одной из двух параллельных вышеупомянутых прямых линиях и совместно с валами, центры которых расположены в точках 00, 01,05-08 выполнены также с возможностью осуществления синхронного вращения закрепленных на них звездочек 22.
Оценка расчетного число позиций (узлов) совместного синхронного вращения (или число пар) вытекает из расчета цепных или других передач 21 зацепления с одинаковыми геометрическими размерами зубьев и параметрами зацепления. Хотя вариант модуля синхронизации вращения заявленного ДВС, изображенного на фиг.1, является далеко не единственным для альтернативной его реализации.
Условимся, что к точкам, которые будут обозначены вне координатной сетки (на схемах без учета масштаба или в другой плоскости), будет прибавляться знак (*).
В этом кратком описании Вы не найдете пояснений относительно расположения технологических выборок (карманов) для крепления, а допустим, сами зазоры в местах перемещений или вращений узлов и элементов, то отсутствуют, то сознательно увеличены или изображены весьма упрощенно, при этом некоторые для наглядности порой выделены утолщенной линией или точкой, так как являются важной частью уточнения по ходу краткого пояснения.
Еще следует отметить, что в данном описании совсем неслучайно, частично и преднамеренно из вышеприведенного текста прототипа позаимствованы (выбраны, взяты) три названия (словосочетания) элементов заявленного ДВС, которые в этом случае назовем барабаном газораспределительного золотника 15 и патрубками 28 воздуховпускных и газовыпускных органов.
Это заимствование словосочетаний в кратком описании позволяет сравнивание похожих позиций по своему функционалу у прототипа и иногда исключают ненужные повторения. Порой не так важно, как обозначены (промаркированы) те же патрубки 28 воздуховпускных и газовыпускных органов, патрубки 31 подачи смазочного масла к местам трения или те же патрубки 33 подачи топлива, - важнее показать суть данных позиций, где они расположены, содержаться, представлены, встроены, при этом они могут иметь разные формы или расчетные размеры, но все они введены в ДВС непременно для описания определенного назначения.
Экспериментальные расчеты проходящих в ДВС процессов показали, что полное расширение рабочего тела до того момента, когда при рабочем ходе ДВС изменяется вектор движения кривошипа 13, не дает того прироста работы на индикаторной диаграмме ДВС, который может быть обеспечен только за счет качественного газообмена, а также от хорошо отлаженного разделенного раннего продолженного расширения, которое начинает осуществляться до того, когда поршни 16 в модулях с рабочим ходом еще не изменили свой вектор движения.
Не желая связывать себя с какой-либо теорией, авторы изобретения считают, что постулат термодинамики, что в изолированных термодинамических системах теплота и работа расширения являются двумя единственными формами передачи энергии от одного тела к другому, являются с рядом существенных допущений явно условным. Попробуем объяснить почему - так как это очень важно.
Известно, что перемещение поршня 16 в цилиндре 17 от ВМТ (фиг. 2) в модуле с рабочим ходом происходит как следствие высвобождения энергии-импульса фронта горения начальной плотности горючей смеси в камере сгорания (хорошо, если он будет затяжной и с продолжительным горением, как у дизелей), при этом поршень 16 на середине своего рабочего хода разгоняется, чтобы совершенно четко через какие-то еще доли секунды уже изменить свой вектор движения на противоположный явно (о какой передаче энергии как бы идет речь…)
Также известно, что силы инерции по величине лишь немного уступают силам давления на днище поршня 16, а порой и превышают их величину. Поэтому совсем неслучайно заявленный ДВС выполнен без шатунов, а с возможностью прироста активных площадей рабочих органов от рабочего цикла (введение эспандерных цилиндров 18) и дополнительных инерционных масс для более равномерного движения (подобно как происходит формирование товарных поездов) таких как кулисы 23 полуцилиндрической формы, поршни 16 и поршни 16 со знаком (*).
А чтобы суммарные инерционные моменты при работе ДВС не имели больших перепадов по величине, конструкция выполнена с возможностью осуществлять через подпружиненное воздухозаборное устройство 24 наполнение полостей, что образуются между введенными перегородками 26 и крайними контурами кулис 23, поршней 16, свежей порцией воздуха (фиг. 3), затем осуществлять последующее сжатие воздуха и тем самым, совместно с обратными клапанами 12, создавать своеобразный демпфер для рассеивания (гашения, подавления) энергии вибраций.
По нашему мнению направление вектора - импульса, связанного с появлением фронта горения горючей смеси направлена от поршней 16 и 16*, всегда совпадает с направлением вектора скорости формированного потока выхлопных газов и законами инерции, что очень важно при его дальнейшем перемещении (подобно бильярдному шару после удара или вылетающему снаряду), то есть само расширение сгоревшей смеси всегда вторично и является скорее функцией текущих термодинамических параметров состояния и геометрических размеров полостей расширения как в цилиндре 17, так и в эспандерных цилиндрах 18, как говорится - было бы, когда и куда расширяться - и по аналогии - это подобно установке дополнительных парусов при попутном потоке или сильных затяжных порывах ветра, чтобы реально усиливает тягу и скорость самого парусника.
Забегая немного вперед, отметим, что было бы неплохо, чтобы в газопоршневом или дизельном варианте двухтактного ДВС обеспечивалась сама возможность затяжного протекания термодинамического цикла с расчетными параметрами, и для этого сам впрыск топливной смеси надо растянуть по времени относительно угла поворота валов вращения, поэтому крышка 30 цилиндров 17 и вихревой предкамеры 19 (форкамеры), снабжены двумя гнездами 25 с форсунками или другими элементами, чтобы осуществилась возможность обеспечить впрыск и дожигание другого компонента сгорания или возможность быстрого перехода работы ДВС в режим с впрыском моторного или газообразного синтетического топлива - диметилового эфира, обеспечивающего нормы Euro3.
Для снижения температуропроводности крышки 30 и поршни 16 цилиндрической формы изготовлены и армированы пластинами с перфорированными отверстиями, а формированы методом совместного спекания, при этом их боковые или торцевые срезы расположены под прямым углом к ее внутренней поверхности (подобно наличию «слегка теплой» боковой поверхности как у пластинчатых теплообменников, работающих в диапазоне высоких температур).
Как отмечалось выше, в состав заявленного ДВС также введены и модули с ранним продолженным расширением. Термин «раннее продолженное расширение» скорее введен, чтобы упрощенно расставить последовательность по времени происходящих событий, связанных с обменом или изменением энергии - при этом утверждается, что сначала произошло воспламенение горючей смеси, затем поршень 16 в цилиндре 17 прошел всего лишь половину рабочего хода (фиг. 4) и в этот же момент, а не чуть позже начинается одновременное формирование выхода и перепуска (детандерное редуцирование через отвод 20 с расчетными диаметрами) данного потока выхлопных газов из цилиндров 17 в эспандерный цилиндр 18.
То есть в заявленном ДВС происходит разделенный цикл, но при этом обеспечивается возможность рабочими органами, которыми являются поршни 16, совершать ограниченные возвратно-поступательные перемещения и производить два полноценных рабочих хода в нужном направлении приложения усилий.
Очень подобное наблюдается, например, при работе дизель - молота в составе копера с его как бы «ранним выхлопом» и «разделенным циклом», но это же ничуть не мешает ему (коперу) забивать на полную или на всю расчетную глубину железобетонные сваи, а ведь при этом произошел только один процесс, пусть даже разделенный, и кстати полного сгорания топливно-воздушной смеси.
Назначение введенных в ДВС вышеупомянутых воздуховпускных органов сводиться не только к тому, чтобы производить необходимую продувку и наполнение цилиндров 17 свежей порцией воздуха с наддувом, а также формировать эффективное накопление и подачу расчетных объемов воздуха в цилиндры 17 посредством также введенных в схему обратных клапанов 12, байпасных участков (на фиг. 1-7 они не показаны), а также встроенных в схему сильфонов 29 с защитными кожухами и объединяющей полости 32.
Заметим также, на фиг. 3 условными стрелками изображен момент начала продувка воздухом цилиндра 17 от остатков продуктов сгорания и одновременно изображено тоже условными стрелками, как часть объема выхлопных газов с определенным давлением поступает, но уже в цилиндр 18, причем поступает чуть позднее по времени из вихревой предкамеры 19 (форкамеры), которые смонтированы как и отвод 20 в теле барабане газораспределительного золотника 15 полусферической формы, последний имеет возможность синхронно вращаться относительно осевых центров с точками 09 или 10 соответственно.
Причем на фиг. 3 изображен и момент окончания быстротечной петлевой продувки от остатков продуктов сгорания (в том числе за счет отсоса их через открытые патрубки 28 байпасных схем воздуховпускных и газовыпускных органов) и посредством смонтированных на валу с осевым центром в точке 11 необходимого числа 3-х ходовых кранов 35 начинается процесс наполнение свежим зарядом охлажденного воздуха цилиндра 17, в том числе из сильфонов 29, который как мы видим на фиг. 7 соединяется с объединяющей полостью 32 и полостями 34 двухкамерной шины (полубаллона). Именно порция охлажденного воздуха, ведь очевидно, что эффективные параметры наддува в основном достигаются посредством увеличения плотности свежего заряда воздуха поступающего в рабочий объем модулей с рабочим ходом при понижении его температуры. Хотя, и на валу с осевым центром в точке 00 смонтировано необходимого число 3-х ходовых кранов 35, которые регулируют синхронную подачу смазки к местам трения ДВС и топлива на впрыск в вихревую предкамеру 19 или цилиндр 17.
На фиг. 2 тоже условными стрелками изображен процесс переноса газовыпускных масс, который благодаря положению отвода 20 и наличию открытых патрубков 28 байпасных схем воздуховпускных и газовыпускных органов происходит при перемещении поршней 16* к ВМТ в эспандерных цилиндрах 18. То есть по сути в заявленном варианте ДВС «НОРМАС» №30 позиционирует убедительное наличие объединяющей системы прямой и обратной взаимосвязи во введенных воздуховпускных и газовыпускных органах, чтобы достичь технического результата в вопросе качественного газообмена, и что позволяет говорить о присутствие в изобретении признаков перспективного газообмена.
Любой технический результат реализуется более полно, когда в ДВС содержится (предусмотрена) оптимальная схема компоновки, чтобы обеспечить бесспорную оптимальную технологичность при его изготовлении, а перечень оригинальных деталей и узлов позволяет сравнивать и оценивать все стороны вопроса.
Технической задачей на решение которой направлено конструктивное выполнение заявленного варианта бесшатунного двухтактного ДВС по сути является расширение кинематических возможностей ДВС, включающего также и то, что сборный корпус 27 собран из модулей с рабочим ходом, модулей с ранним продолженным расширением выхлопных газов и модулей синхронизации вращения с отбором мощности, каждый элемент или звено которых смонтировано на базе двенадцати осевых центров с точками 00-11 (фиг. 1-7) координатной сетки, которая образуется как следствие пересечения (сплетения) семи больших кругов одного диаметра с двумя параллельными прямыми, где точки 00 и 11 расположены точно на линии зеркального отображения частей данной координатной сетки; точки 01 и 02 расположены в центрах объема камер сгорания цилиндров 17 модулей с рабочим ходом, а точки 03 и 04 расположены в центрах объема полости цилиндров 18 над поршнем 16 в момент начала продолженного расширения; причем на одинаковых расстояниях от этих центров расположены осевые центры валов вращения кривошипов 13 - с точками 05 и 06 модулей с рабочим ходом, а с точками 07 и 08 - модулей с ранним продолженным расширением соответственно; кривошипы 13 смонтированы между двумя боковыми цилиндрической формы щеками (на фиг. 1-7 не обозначены), которые в свою очередь имеют возможность вращаться в сборной конструкции межмодульных перегородок и узлов корпуса 27; осевые центры валов с точками 09 и 10 на фиг. 1 совместно с валами, центры которых расположены в точках 00, 01,05-08 выполнены также с возможностью осуществления синхронного вращения закрепленных на них звездочек 22; в составе каждой парной цепной передачи 21 смонтирована возможность синхронно вращаться четырех звездочек 22, причем одинаковых по размеру и параметрам зацепления, а также элементов натяжения цепей, механических блокировок, что и составляет модуль синхронизации вращения заявленного ДВС; кроме звездочек 22 на валах с осевыми соосными центрами в точках 09 и 10 или 00 и 11 закреплены с возможностью синхронного вращения - барабаны газораспределительных золотников 15 полусферической формы со встроенной в тело вихревой предкамеры 19 (форкамеры), и отвода 20 с расчетными диаметрами или же - центральная вращающая часть 3-ходовых кранов 35 соответственно; понятно, что поршни 16 и 16*, а также сборные кулисы 23 полуцилиндрической формы с возможностью осуществления ограниченных возвратно-поступательных перемещения в цилиндрах 17 и 18 при передаче взаимодействующих усилий посредством пары стержень-трубок 14, состоящих из трубки с одним заглушенным концом и крестообразного профиля с четырьмя тонкими и еще перфорированными отверстиями ребрами и центральным сквозным отверстием, куда с малым натягом вставляется стержень, соединяющий шаровые соединения; в представленных графических материалах ДВС предопределено, что диаметр окружности малых восьми кругов равен диаметрам делительных окружностей звездочек 22 цепных передач 21, диаметрам поршней 16-16*, цилиндров 17 и 18, а также сопряженных частей при их возможном взаимодействии с учетом, конечно, масштаба, необходимых зазоров и допусков при их изготовлении и при сборке; а вот на крышке 30 цилиндров 17 и примыкающему к ней корпусу барабана газораспределительного золотника 15, в теле которого встроена вихревая предкамера 19, кстати, последняя имеют возможность вращаться синхронно с вышеупомянутыми валами и снабжены двумя гнездами 25 в т.ч. для форсунки;
а для снижения температуропроводности тело крышек 30 цилиндров 17 и поршней 16 изготовлено методом совместного спекания и с армированием перфорированными отверстиями пластинами с наклоном под углом 60° к стенке; в состав воздуховпускных и газовыпускных органов ДВС кроме патрубков 28 и обратных клапанов 12, которые выполнены с ограничением поворота их шибера, входят и байпасные участки, неслучайно встроенные в схему с сильфонами 29 из нержавеющей стали с защитными кожухами, которые тоже формируют накопление воздуха и охлаждение воздуха в каналах (трубах) 36 объединяющей полости 32, а при открытом 3-х ходовом кране 35 также обеспечивают и расчетный расход воздуха при продувке и подаче, заметим, охлажденного и с наддувом воздуха в полость цилиндра 17 - это очень важно и неслучайно изображено на фиг.5 и 7; кстати, равномерное синхронное вращение всех валов в заявленном ДВС обеспечивается тем, что рабочие ходы поршней 16 или одноименные такты в цилиндрах 17 и 18 в этих модулях с рабочим ходом или с ранним продолженным расширением выполняется не в одно время, а последовательно чередуется через 180° соответственно, и это чередование свойственно, например, и при подаче компонентов смазки из двух полостей, что смонтированы с использованием защитных кожухов сильфонов 29, когда смазка под давлением в нужный момент через соответствующие патрубки 31 капельно поступает на узлы ДВС с трением; также ничего не мешает, чтобы топливные насосы высокого давления ДВС размещались и производили впрыск топлива в нужный момент от кулачков, смонтированных на валу с осевым центром в точке 00; совсем неслучайно выполнено и то, что внутренняя полость сильфонов 29 (фиг. 7) соединяется с полостью 34 эластичной двухкамерной шины, а соседняя большая полость данной шины с врезанными патрубками 33, может быть использована под газообразные или жидкостные компоненты топлива системы ДВС в составе катера РИБ (RIВ - Rigid Inflatable Boat), снабженного по периметру этими объемными полостями.
Предоставленные графические материалы не исчерпывают всю сущность изобретения и не ограничивают каким-либо образом возможные горизонты его осуществления, а лишь открывают новые возможности в объеме заявленной формулы, так как если признаки раскрыты и применимы для одной компоновки изобретения, то эти же признаки могут быть использованы и в совмещенных компоновках осуществления изобретения, где при этом выполняется важное условие, которое по сути никак не противоречит смыслу и духу изобретения.
Те же вопросы поступления охлажденного с наддувом воздуха в полость цилиндра 17 по существу совмещена с размещением ДВС в составе катера РИБ, имеющее жесткое алюминиевое дно, и позволяет при плотном соприкосновении и размещении пучков каналов (труб) 36 в объединяющей полости 32 (фиг. 7) хорошо решать техническую задачу увеличения мощности ДВС, повышать остойчивость катера РИБ без применения фальшкиля или размещения балласта на нем.
То есть по сути контуры ДВС «НОРМАС» №30 полезно и легко встраиваются в состав автономного беспилотного мехатронного устройства (фиг. 5-6) катера РИБ, включающего возможную совокупностью воздействия на его при введении в это устройство внутренней и внешней системы управления, а также наличия условных датчиков-антенн 37, когда при пуске ДВС происходит передача движения винтам (лопастям) устройства или их остановка, что обеспечивает данному изобретению прорывное или перспективное промышленное применение.