ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ "НОРМАС". ВАРИАНТ - ХВ - 025

Заявленный вариант конструкции двигателя относится к области энергомашиностроения, а именно к промышленно применимым объемным двигателям внутреннего сгорания (ДВС), а при определенных небольших изменениях в конструкции возможен и перевод его работы в режим компрессора - устройства для создания избыточного давления рабочего тела или детандера - энергоэффективного генерирующего устройства для редукции давления рабочего тела и получения мощности на выходном валу.
Наиболее близким конструктивно к заявленному двигателю внутреннего сгорания по совокупности признаков является ДВС, 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 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 (авт. свид. СССР №828780, кл. F02B 41/02).
Недостатками выбранного прототипа являются то, что при продолженном расширении продуктов сгорания не изменяя геометрические размеры цилиндров разного объема, не получается очень направленно и наиболее полно реализовать на основе конструкции прототипа преимущества качественного газообмена, чтобы при этом достичь максимальную индикаторную работу, рост термического и индикаторного КПД без увеличения сил трения, чтобы полностью сохранялась отлаженная термодинамика проходящих в ДВС процессов с контролируемой детонацией.
В основу конструирования в предыдущих десяти вариантах двигателей внутреннего сгорания «НОРМАС» с приоритетом начиная от 25.10.2011 г. как и в заявленном варианте ДВС поставлена техническая задача повышения его эффективности, когда не только введение новых элементов в конструкцию, но и создание новых совмещенных связей между существующими элементами конструкции обеспечивают полезную многофункциональность. Задачей, на решение которой направлено технически грамотное конструирование заявленного варианта двигателя внутреннего сгорания являются, как правило, критерии - максимально возможная расчетная активная площадь рабочих органов и введенных элементов продолженного расширения, многоочаговое сгорание при уменьшении удельного расхода топлива, рост индикаторного КПД, прирост величины индикаторной работы, надежность при небольшом весе конструкции, технологическая простота сборки и компактность конструкции.
Технический результат заключается в конструктивном выполнении заявленного варианта ДВС, включающего кривошипно-шатунный механизм (КШМ) и сборный корпус, при этом в его конструкцию введены модули с расчетной толщиной, в первой парной группе модулей которых размещены подвижный сборный стакан 24 и парные поршни 2, расположенные под углом друг к другу и с встроенным в их внутреннюю полость подпружиненного поршня 4, которые выполнены с возможностью при перемещении сходиться к концу процесса сжатия, образуя единую камеру сгорания полусферической формы, а в процессе расширения одновременно расходиться в противоположных направлениях, при этом сборный стакан 24 снабжен воздуховпускными окнами 20, контактирующими с полостью, оснащенной воздуховодами 21 и соединенной с мембранным баком, а также сборный стакан 24 посредством стержня 26 соединен с двумя боковыми тягами 29 - последние выполнены с возможностью ограниченного ручного регулирования их длин, а также величин их синхронного перемещения, которое осуществляется совместно с элементами КШМ сборного эксцентричного шибера 17, который расположен между элементами КШМ парных поршней 2 этой первой группы модулей и где посредством перемещения профиля 15 образуется полость продолженного расширения, куда по встроенному в межмодульные перегородки газоходу 3 или 33 поступают выхлопные газы, кстати, частично участки газохода встроены и в элементы корпуса 23 (фиг. 3, 8), но уже второй группы модулей, расположенные по бокам модулей первой группы и в которых смонтирован одинаковый набор вышеупомянутых тяг 29 с элементами ручной фиксации и регулирования их длины, когда возможно вручную изменить степень сжатия ДВС, а также введены доп. элементы КШМ, воспринимающие усилия от продолженного расширения выхлопных газов, и совершающие тоже ограниченные возвратно-поступательные перемещения между плоскими межмодульными перегородками, что и элементы КШМ в первой группе модулей, кстати, межмодульные перегородки выполнены из перфорированных, сопряженных и закрепленных между собой пластин, местами имеющих технологические пустоты и выборки, а третья группа синхронизирующих модулей ДВС представляет собой устройства, обеспечивающие возможность посредством размещенных соосно на валах 13,14,38 одинаковой пары звездочек 35 и цепной передачи 34 суммировать крутящий момент после каждого рабочего хода поршней 2 и в сопряженных с этим других вращений и перемещений. На фиг. 1-10 - представлены разрезы, введенных и составляющих ДВС модулей, где больше для упрощения пояснений взаимодействий деталей и устройств, а также для описания взаимосвязи и последовательности их местоположения при сборке оправданно предопределило введение понятия - группа модулей и их маркировку. Введение модулей определяется устойчивой совокупностью похожих свойств, которые диктуются при конструировании и позволяющих при наборе необходимой мощности ДВС обеспечить оптимальный вариант его сборки, местами на фигурах удалось показать очертания задних модулей. Раскрытие сущности конструкции заявленного варианта ДВС основано на том, что энергия сгорания топливно-воздушной смеси максимально эффективно преобразуется во вращение выходных валов 13, 14 и 38.
Для удобства понимания начнем с описания элементов и деталей модулей 025-03 и 025-06, изображенным на фиг. 2, 4, 6 и 9, где местоположение этих элементов отображено в противоположных процессам двухтактного цикла, где все поршни 2, изображенные на этих модулях первой группы совершают ограниченные возвратно-поступательные перемещения в соответствующих втулках цилиндрах 6, при этом в зависимости от расчета оптимальных параметров процесса, максимального давления и температуры в цикле могут быть выполнены как цилиндрической, так и полуцилиндрической формы, так как расчеты геометрических размеров активной площади - превыше всего.
В заявленном варианте ДВС не случайно выбрана схема, когда два поршня 2 и подвижный сборный стакан 24 движутся оппозитно: максимально близко сходятся к концу процесса сжатия, образуя единую камеру сгорания полусферической формы, а в процессе расширения одновременно расходятся - такое исполнение элементов более предпочтительно, чем у выбранного прототипа и позволяет упростить компоновку ДВС и решить другие моменты при продолженном расширении, но об этом чуть ниже. Еще данная конструкция местоположения рабочих органов ДВС позволяет при конструировании легко изменять геометрические формы и размеры камеры сгорания, чтобы быстро добиться оптимальных значений степени сжатия и параметров качественного газообмена - основных величин, которые обеспечивают максимальный термический и индикаторный КПД.
Заявленный вариант ДВС могут использовать жидкое или газообразное топливо. Отличительной особенностью конструкции газопоршневого или дизельного варианта ДВС является и впрыск топливной смеси из трех форсунок 1, растянутый по времени относительно угла поворота коленчатого вала и обеспечивающего многоочаговое объемное сгорание.
Понятно, что наддув второго компонента топливно-воздушной смеси воздуха - это увеличение плотности свежего заряда, поступившего во втулки цилиндров 6, напрямую сказывается на увеличении индикаторной работы и улучшение качества газообмена, поэтому в рациональной конструкции подвижного сборного стакана 24 заложены и воздуховпускные органы ДВС.
Известно, что при понижении или повышении оборотов бензиновых ДВС ухудшаются условия газообмена, при этом эффективное давлении падает, а значит, и величина крутящего момента будет также уменьшаться. Дизель же, как правило, работает в диапазоне средних оборотов коленчатого вала, когда эффективное давление достигает своего максимума. И еще важный факторы в пользу решаемой задачи и выбору двухтактного дизеля - при горении дизельное топливо не сильно склонно к детонации, а это значит можно несколько увеличить степень сжатия воздуха и обеспечить многоочаговое сгорание, что непременно ведет к росту термического и индикаторного КПД, что и заложено в конструкцию данного варианта ДВС.
Заметим, что для удобства восприятия на всех фигурах маркировка не только валов 13, 14 и 38, но и их соосного выходного продолжения или других элементов остается неизменной, хотя в существующих «осевых разрывах» этих валов находятся элементы коленчатого вала ДВС - в данном случае это кривошип 12, шатун 11 и его две боковые щеки 10.
Кстати, каждый кривошип 12 соединен с двумя боковыми цилиндрической формы щеками 10 заподлицо (т.е. не выходят за контуры перемещения шатунов 11), а сами боковые щеки 10 кривошипов 12, как впрочем, и перепускные газоходы 3 и 33, встроены в межмодульные перегородки (на фиг. 1-10 они не показаны), где, кстати, боковые щеки 10 кривошипов 12 вращаются, как правило, в окружении шариков качения, центр вращения которых строго совпадает и соответствует соосным валам 13, 14 и 38.
Не найдете и в данном кратком описание и технологических выборок (карманов) для крепления там подшипников качения и узлов межмодульных креплений, хотя некоторые торцевые или боковые места стыковки и крепления некоторых элементов 7 сборного корпуса 23 на фиг. 1-10 указаны частично. А вот зазоры в местах перемещения или вращения деталей или элементов данного варианта ДВС на данных фигурах или отсутствуют или сознательно увеличены, но при этом везде четко сохраняется межосевое расстояние между элементами сборного корпуса 23 и взаимное местоположение выходных валов 13, 14 и 38, что в целом придает заявленному варианту конструкции ДВС оптимальную технологичность при сборке.
Как отмечалось выше, заявленный вариант ДВС работает по двухтактному циклу, то есть за один оборот происходит продувка, наполнение рабочего объема воздухом через воздухозаборные окна 22 при как бы «насосном ходе», сжатие его с необходимым моментом опережения впрыска топлива, самовоспламенение, основное и продолженное расширение сгоревшей смеси.
Известно, что впрыск топлива, затем объемное самовоспламенение топливной смеси, а местами предпламенное горение горючей смеси начинается еще до того, когда парные поршни 2 и подвижный сборный стакан 24, двигаясь под углом, навстречу друг к другу, максимально близко сходятся к концу процесса сжатия. Чтобы обеспечить параметры объемного самовозгорания в заявленном варианте ДВС предусмотрена ручная корректировка возможного диапазона изменения степени сжатия, но об этом чуть ниже.
Многоочаговое горение - это цепная химическая реакции окисления горючих веществ с турбулентным самоорганизованным распределением пламени, когда начинается скачек давления и интенсивное тепловыделение продуктов сгорания, а также слышны удары давления о стенки конструкции камеры сгорания, порождающие характерный звук. Некоторые признаки процесса горения совпадают с началом рабочего хода парных поршней 2 и подвижного сборного стакана 24, особенно когда начинается скачек давления.
Рабочий ход - это процесс, когда совершается работа перемещения подвижного сборного стакана 24 и парных поршней 2, который начинается от давления расширяющихся газов в камере сгорания полусферической формы. Чтобы сгладить негативные моменты от приложения максимальных усилий после многоочагового воспламенения горючей смеси и обеспечить сбалансированную работу данного варианта ДВС поршни 2 имеют участки с рассчитанной перфорированной поверхностью 18 и шаровые соединения 9 и 32, которые снизили боковые реакции от передаваемых усилий и размещением во внутренней полости поршней 2 поршня 4 с расчетным усилием срабатывания пружины 5 и наличием в сборном донышке поршней 2 отверстий 8.
По местоположению шатунов 11 и изображенным стрелкам вращения легко понять, что в модуле 025-03 (фиг. 2) начинается процесс расширения, когда под действием расширяющихся продуктов сгорания (рабочее тело), имеющих определенное давление и соответствующую температуру, начинает совершаться рабочий ход - это и есть основная задача любого ДВС, а если в конструкции еще присутствует и хорошо организовано продолженное расширение рабочего тела в полостях сборного шибера 17, которые своей расчетной толщиной и активной боковой площадью своих элементов реально дополняют прирост индикаторной работы и продолжительность действия возникающих при этом усилий, причем усилий нужной направленности, то это именно та техническая задача, которая обеспечивает получение в заявленном варианте ДВС необходимых технических результатов.
Практика много раз показала, что полное расширение рабочего тела до того момента, когда изменяется вектор движения поршней 2 и подвижного сборного стакана 24 после рабочего хода не дает того прироста индикаторной работы движения, который может быть обеспечен за счет выполнения интенсивного газообмена и последующего продолженного расширения.
Поэтому истечение продуктов сгорания из блоков цилиндров 6 через выпускные окна 3 или 33 (кстати, последние на фиг. 2 и 9 изображены условно), так как профиль этих окон, конечно, другой, пространственно более сложный, да и само истечение происходит несколько раньше, чем пока данные поршни 2 и подвижный сборный стакан 24 изменят свои векторы движения после рабочего хода.
Заметим еще, что создание необходимого потока выхлопных газов в полости продолженного расширения реализуется и за счет послойного профилирования (смещение или поворот одной оси относительно другой оси) П-образных пластин сборного эксцентричного шибера 17, а также подбором профиля 15, в котором перемещаются эти П-образные пластины и комплект пружин 16, что очень важно, когда формируются потоки, а также обеспечивается продолженного расширения. Кстати, расположение комплекта пружин 16 и П-образных пластин сборного эксцентричного шибера 17, а также подбор профиля 15 в котором сборный шибер 17 перемещается при эксцентричном вращении на фиг. 2 и 9 показано весьма упрощенно.
Условно, без учета углов опережения открытия или запоздания закрытия, относительно точки отсчета смещения, на фиг. 9 в модуле 025-06 изображен начальный момент, когда из встроенного в межмодульные перегородки газохода 3 выхлопные газы из модуля 025-03, имеющие расчетные параметры состояния начинают поступать в полость продолженного расширения, имеющую расчетную толщину модуля 025-06. На фиг. 2 в модуле 025-03 изображен окончательный момент, когда из встроенного в межмодульные перегородки газохода 33 (фиг. 8) выхлопные газы, выйдя из модуля 025-06, уже оказали необходимое давление на боковую расчетную активную площадь П-образных пластин эксцентричного шибера 17 и профиля 15 и наступает момент, когда они, пройдя участки с перфорированной поверхностью 18 и через конфузорный канал патрубка 19 имеют параметры давления близкие к атмосферному, а значит и шум выхлопа из ДВС будет незначительный.
Как и прототип, названный вариант ДВС снабжен воздуховпускными органами. На модуле 025-06 (фиг. 9) изображен процесс продувки втулок цилиндров 6 через впускные окна 20. Очистки рабочего объема от продуктов сгорания предыдущего цикла, как и у прототипа, решается в основном правильным подбором углов опережения открытия или запоздания закрытия относительно точки отсчета смещения. Воздух за определенное время до этого момента проходит через впускные воздухозаборные окна 22 подвижного сборного стакана 24, через участки с перфорированной поверхностью 18, где происходит и частичное завихрение потока воздуха.
Продувка заканчивается, когда телом подвижного сборного стакана 24 закрываются впускные окна 20, а телом поршней 2 закрываются выпускные окна 3 или 33 соответствующих втулок цилиндров 6, причем формы выпускных окон 3 или 33 соединены и плавно (без резких изгибов) переходят в полости межмодульных перегородок, в которых встроены газоходы такой же маркировки, что и сами выпускные окна 3 или 33. Чтобы подчеркнуть важность наличие данного момента расположение перепускных газоходов 3 и 33 только на фиг. 3 и 8, изображено на элементах сборного корпуса 23. Заметим также, что при продувке, особенно когда она осуществляется с избыточным давлением (наддувом), как в данном случае происходит и интенсивный теплосъем излишнего тепла с поверхности втулки цилиндров 6 и поршней 2. Хотя основное предназначение наддува - это увеличение мощности, когда масса свежего заряда воздуха, поступающего в рабочий объем ДВС растет за счет увеличения его плотности, а вот у прототипа данной функции нет.
Да и сама прямоточная продувка-это лучший вариант продувки и является основным фактором качественного газообмена, когда, как говорилось выше, обеспечивается как можно большее наполнение рабочего объема ДВС свежим зарядом воздуха, поскольку от его соотношения однозначно зависит величина индикаторной работы. То есть предложенная рациональная конструкция расположения введенных элементов - таких как впускные окна 20, окон воздуховодов 21 и 28, воздухозаборных окон 22 относительно формы подвижного сборного стакана 24 и величин его взаимоперемещения реально улучшает и качественные показатели происходящих процессов, когда достигается более полное удаление продуктов сгорания, то несомненно обеспечивается и более качественный газообмен. Кстати, воздуховоды 28 и 21 с учетом необходимой расстановки обратных клапанов в системе соединяются с общим мембранным баком (на фиг. 2-9 не показано), расчет которого и обеспечивает данный наддув при осуществлении так называемого «насосного хода» сборного стакана 24.
А чтобы состоялось четкое и регулируемое перемещение подвижного сборного стакана 24 относительно впускных окон 20, воздухозаборных окон 22, и окон воздуховодов 28 и 21 с учетом углов опережения открытия или запоздания закрытия в заявленный вариант ДВС введены четыре одинаковых по комплектации парные модули второй группы 025-02 и 025-04, 025-05 и 025-07, расположенные по бокам модулей 025-03 и 025-06 соответственно и состоящие в основном из тяг 29 с регулируемой вручную длиной, а также, как и в применяемых в модулях 025-03 и 025-06 элементов КШМ.
Регулирование длины тяги 29 осуществляется посредством вращения поворотной скобы 31, имеющих с тягой 29, штоком 25 и с шаровым соединением 32 нормальное и левое резьбовые соединение и фиксацией его соответствующими контргайками 30, некоторое регулирование положения с фиксацией болтами 27 предусмотрено и в соединении подвижного сборного стакана 24 со стержнем 26. Введение данных позиций в заявленный вариант ДВС вместе с размещением во внутренней полости поршней 2 внутреннего поршня 4 с рассчитанной пружиной 5 обеспечило возможный диапазон изменения степени сжатия, а это важнейший конструктивный параметр двигателя, в том числе и показатель «всеядности» ДВС, так как при некотором возрастании степени сжатии растет и температура рабочего тела в конце процесса сжатия. Известно также, что некоторый рост степени сжатия ведет и к росту термического КПД при этом не оказывается сильное влияние на коэффициент наполнения, что тоже очень важно.
Поэтому наличие в данном варианте ДВС вышеперечисленных введенных элементов второй парной группы модулей 025-02 и 025-04, 025-05 и 025-07 более чем оправданно, тем более что их направленное усилие способствуют не только быстрому выходу из «зоны мертвых углов» уже другого модуля и одновременно позволяющие увеличить продолжительность рабочего цикла, а стало быть и величину индикаторной работы.
Дополнительные усилия, которые возникают от направленного давления выхлопных газов на боковые активные поверхности профилей 15 сборного эксцентричного шибера 17 в модуле 025-03 через синхронизирующие цепные передачи 34, передаются в модуль 025-06, и тем самым создают направленные боковые усилия, помогая поршням 2 и подвижному сборному стакану 24 закончить процесс сжатия, а затем быстрее выйти из «зоны мертвых углов», где суммарное усилие не столько преобразуется в механическую работу вращения вала 38, а лишь приводит к максимальным нагрузкам на элементы ДВС, тепловым перегрузкам конструкции и уменьшению продолжительности рабочего цикла, характерного для сравниваемого прототипа ДВС, где не изменяя геометрические размеры цилиндров разного объема и углов смещения (кстати, величина последних в прототипе варьируются в диапазоне 9-72*), не получается наиболее эффективно реализовать и преимущества качественного газообмена и многоочагового объемного сгорания. Модули третьей группы 025-01 и 025-08 со звездочками 35 и цепной передачей 34 введены для того, чтобы максимально синхронизировать работу ДВС и объединить увеличенную после каждого рабочего хода двухтактного цикла индикаторную работу. В целом механизм передачи однонаправленных движущих усилий в заявленном варианте ДВС устроен таким образом, чтобы происходило равномерное смягчение жесткого импульса выхода элементов ДВС из сектора «мертвых» углов и осуществлялось перемещение всех введенных элементов без задиров, более эффективно осуществлялась передача движущих усилий на валы 13, 14 и 38 при одновременном уменьшении индикаторного удельного расхода топлива, а это главная сущность и технический результат при конструктивном выполнении заявленного и промышленно применимого варианта ДВС.
Степень полезного применения заявленного промышленно применимого варианта ДВС, а также как предмета потребления, где осуществляется этот достигнутый технический результат, хотя его комплектация и может быть разной в зависимости от ситуации при передаче вращающих усилий от валов 13, 14 и 38, которые в заявленном варианте ДВС синхронно вращаются в одном направлении. Учитывая этот признак, и чтобы подтвердить возможность еще более эффективного осуществления технического результата, когда соосное синхронное вращение от валов 13, 14 с увеличенным крутящим моментом максимально эффективно передается с помощью фрикционных поверхностей 41, нанесенных на выходные валы той же маркировки 13 и 14, когда они соприкасаются с фрикционной поверхностью обода 37 гребной лопасти 39 и позволяют заявленному варианту ДВС полной комплектации быть эффективным и более экологичным движителем в составе прогулочного водного катамарана (ПВК) названного «Скарабей», так как во многом способ передачи усилий на этих фиг. 11 и 12 позиционирует их (ПВК и жука) в некотором сходство. Поэтому не случайно постель центральных валов 36, где вращаются синхронно гребные лопасти 39, расположены в районе ватерлинии 40 по бортам ПВК «Скарабей», а сами фрикционные поверхности обода 37 могут быть легко выполнены из велосипедных шин (подобно креплению веломоторов с фрикционным приводом).
А вот в составе снегохода с поворотной подвеской 43, где могут быть размещены лыжи 45 или колеса, изображенного на фиг. 13 совсем не обязательно полная комплектация модулей заявленного варианта ДВС, так как валы 13, 14 и 38 через муфты сцепления (на фиг. 13 не показаны) соосно соединены с опорными ведущими катками 44, имеющих расчетное число зубьев цевочного зацепления, где цевками являются соединительные втулки гусеничного звена шасси 42, и с которыми боковая поверхность зубьев последовательно входят в контакт, чтобы одновременно быть и синхронизирующим устройством вместо отсутствующих модулей третьей группы 025-01 и 025-08 со звездочками 35 и цепной передачей 34, и чтобы обеспечивать новую взаимосвязь ДВС в составе снегохода при передаче и преобразовании увеличенного крутящего момента в касательную силу тяги, перемещающую данный снегоход.
Кстати, комбинированный вариант осуществления технического результата, где заявленный вариант ДВС введен уже в состав установки горизонтального направленного бурения (УГНБ) с небольшими дополнениями полезного преобразования крутящего момента может быть представлен по запросу.
Наличие в заявленном варианте ДВС новых конструктивных элементов, их взаимосвязь и взаиморасположение с дополнительно введенными элементами обеспечивает получение необходимых технических результатов, а признаки как известные, так и описанные в заявленном техническом решении и объективно проявляющие в данной конструкции ДВС образуют совокупность, ранее неиспользовавшуюся, что позволяет считать заявленный вариант ХВ - 025 двигателя внутреннего сгорания «НОРМАС» различной комплектации соответствующим критериям «существенные отличия и новизны».