ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ "НОРМАС - МХ-50"

Полезная модель относится к энергомашиностроению, в частности к объемному двигателю внутреннего сгорания (ДВС), оснащенному устройствами, которые улучшают преобразование тепловой энергии в механическую работу и может быть использован в качестве стационарной или силовой установки на водном транспорте, 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 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 Рутc еще в далеком 1860 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 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 на решение которой направлена разработка и технически грамотное конструирование заявленного ДВС являются критерии, которые при большем крутящем моменте на коленчатом валу, причем после каждого рабочего хода и без применения редуктора, 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, сил 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 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.
Сущность получения увеличенного крутящего момента в заявленном ДВС, заключается в том, что необходимо увеличение активной площади движущих элементов ДВС (подобно парусу), воспринимающих попутное давление от расширения выхлопных газов и одновременно минимизация неактивной площади, при этом в ДВС полностью сохраняется отлаженная термодинамика проходящих процессов, а введение эффективных устройств, идей и элементов реализует технический аспект 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 и 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 - подобно установке дополнительных парусов на яхте.
Поставленная техническая задача предопределило и выбор именно двухтактного ДВС, 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 представляется оптимальным с точки зрения работы двигателя со средними оборотами. К тому же надо помнить, что частота вращения вала отбора мощности как правило любого ДВС определяется в основном от количества и качества сгорания топливной смеси. Особенность решаемой задачи несомненно сводится и к качественному сгоранию топливной смеси и как можно более полному удалению отработанных газов.
Отличительной особенностью использования газопоршневого или дизельного варианта ДВС является 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-50» новых конструктивных элементов, их взаимосвязь и взаиморасположение, обеспечивает полезной модели ДВС получение необходимых технических результатов, но об этом ниже.
Решением поставленной технической задачи является ДВС, включающий сборный неподвижный корпус, кривошипно-шатунные механизмы (КШМ), один вал отбора мощности при этом в него введены не менее пара модулей с поршнем, причем у последних в центре днища каждого выполнено сквозное отверстие, как впрочем, и в шаровом шарнире шатуна, проходное сечение которых при определенном отклонении шарового шарнира от вертикального положения перекрывается или сообщается с конусообразной полостью над внутренним поршнем, который как и подвижные тяги с шаровыми узлами сочленения и подпружиненный упор размещены внутри тела шатуна и выполнены с возможностью кратковременного ограниченного взаимодействия и перемещения, направленного по касательной в сторону вращения коленчатого вала, когда давления в камере сгорания преодолевает усилие пружин, кроме того в ДВС обеспечивается и ограниченное осевое линейное возвратно-поступательные перемещение, размещенных в камере сгорания двух качающихся полуцилиндрической формы заслонок, каждая в свою очередь соединена и взаимодействует с золотником, на котором размещен и смонтирован пустотелый поплавок и узел выхлопа поршневого типа с частично перфорированной поверхностью, причем, когда осуществляется период выхлопа и последующая продувка, каждая качающиеся заслонка своим телом открывает или перекрывает проходное сечение окон выпуска, размещенных на вращающейся боковой щеке эксцентричного вала, чтобы выхлопные газы и составляющие продувки в определенный период времени через перепускные газоходы поступили в полость продолженного расширения двухлопастных роторов, кстати, в каждый ротор введены одинаковые по размерам двухлопастные вращающие элементы с внутренними пустотами, выполненные в форме полуцилиндров и имеющие частично поверхности со сквозными отверстиями, обеспечивающие увеличение боковой активной площади роторов, причем вращающие лопасти роторов синхронно вращаются с коленчатым валом двигателя, обеспечивая увеличение крутящего момента на коленчатом валу от продолженного расширения выхлопных газов в роторах, причем после каждого рабочего хода.
Технический результат заключается в создании конструкции ДВС с более эффективным преобразованием тепловой энергии в механическую работу, за счет реализации конструктивных решений, когда происходит увеличение крутящего момента, причем после каждого рабочего цикла, без применения редуктора, а также за счет введения в ДВС элементов альтернативной экологически чистой Поплавковой Волновой Электростанции (ПВЭЛ), когда обеспечивается лучшая равномерность вращения, необходимый диапазон экологичности и уровень шума при работе.
Краткое описание чертежей.
Заявленный ДВС «НОРМАС - МХ-50» поясняется приложенными чертежами. На фиг.1 - представлена принципиальная кинематическая и конструктивная схема сборки. Для 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 модулей с их маркировкой. На фиг.2-8 - представлены разрез модулей, а когда позволяет формат чертежа и частичный задний вид, дополнительно поясняющие конструкцию и взаимодействие деталей, устройств, введенных в ДВС.
Введение модулей определяется устойчивой совокупностью похожих свойств, стоящих при конструировании ДВС и позволяющих при наборе необходимой мощности и крутящего момента обеспечить оптимальный вариант компоновки на любом современном моторном заводе, сохраняя простую технологию сборки, инфраструктуру и квалификацию персонала.
Особенностью работы ДВС является размещение в камере сгорания двух полуцилиндрической формы качающихся заслонок 16, которые из-за взаимодействия эксцентричного колена 15 на валу 21 и паза 17 совершают качение с ограниченной амплитудой около центра вала 23 и одновременно совершают осевое линейное возвратно - поступательное перемещение, каждая из заслонок 16 взаимодействует с золотником 6, на котором размещено устройство 28 и смонтирован пустотелый поплавок 24 и узел выхлопа 25 поршневого типа с частично перфорированной поверхностью сквозными отверстиями 29.
Для обеспечения равномерности вращения заявленный ДВС снабжен парным количеством модулей с поршнем 4, где расположение осей и размеры элементов совпадают, а термодинамические двухтактные циклы, проходящие в них - обратно противоположны. На модуле 50-04 (фиг.5) изображен момент начала последующего рабочего такта, а на модуле 50- 06 (фиг.7) схематично изображен момент продувки цилиндра свежей порцией воздуха и как бы последующего начало процесса сжатия. Необходимое количество парных модулей зависит от требуемой мощности.
Нагрузки от двух качающихся заслонок 16 к эксцентричному валу 21 передаются в основном через несколько обойм с шариками 3 качения, которые располагаются во встроенных в корпус каретках или в направляющих дорожках качения (на фиг.4, 5, 7 - условно представлен лишь один ряд шариков и специально увеличен размер зазора), причем, чем диаметр шариков 3 качения меньше, тем меньше и площадь контакта, и меньше потери на трение. Трение качения позволило значительно снизить площадь уплотнений, при этом даже возможные перетекания рабочего тела минимальны и не так существенны для создания необходимой компрессии.
Для смягчения жесткого импульса выхода элементов КШМ из сектора «мертвых» углов и осуществления более эффективной передачи усилий от шатунно поршневой группы на элементы коленчатого вала 13 в центре днища поршня 4, выполнено сквозное отверстие 9, как впрочем, и в шаровом шарнире 5 шатуна 10, проходное сечение которых при отклонении шарового шарнира 5 от вертикального положения перекрывается или сообщается с конусообразной полостью 2 над внутренним поршнем 14, который как и подвижные тяги с шаровыми узлами 12 сочленения и подпружиненный упор размещены внутри тела шатуна 10 и выполнены с возможностью ограниченного взаимодействия и перемещения, направленного по касательной в сторону вращения коленчатого вала 13, когда давления в камере сгорания преодолевает усилие пружин 11.
Кратковременное и ограниченное перемещение внутреннего поршня 14 (подобно удару киянки по горлышку бутылки с водой, когда отваливается ее донышко) обеспечивается и подобранной величиной сжатия пружин 11, расчетным соотношением площадей днища внутреннего поршня 14 и днища поршня 4, расчетным диаметром сквозного отверстия 9 на днище поршня 4 и в шаровом шарнире 5, подвижными тягами и шаровыми узлами сочленения 12 с подпружиненным упором.
Чтобы в газопоршневом или дизельном варианте ДВС происходило эффективное сгорание в верхней части неподвижного корпуса, в центре поверхности сопряжения тел золотников 6 и двух полуцилиндрической формы качающихся заслонок 16 расположена цилиндрической формы форсунка или свеча 1. Для улучшения газообмена ДВС снабжен узлами 20, благодаря которым происходит процесс забора воздуха во внутрикартерную полость, когда поршень 4 и золотник 6 удаляются от узла 20, а когда наоборот, то происходит промежуточное сжатие воздуха или газовоздушной смеси, затем через впускные окна 18 эти компоненты поступают в цилиндр для продувки и для последующего их сжатия.
С учетом того, что неактивная боковая площадь цилиндра при равных диаметрах и высоте всегда больше, чем полуцилиндрического, и учитывая аналогию работы керамических прокладок и картриджей, что расположены в различного рода кранах под давлением на наш случай, то очевидно, что в поперечном сечении поршень 4 в модулях 50-04 и 50-06 может быть выполнен полуцилиндрической формы исполнения с плоскими боковыми поверхностями и с возможностью перемещения с трением качения, при этом соседние модули разделены между собой плоскими торцевыми перегородками, на которых имеются элементы крепления, внутренние полости перепускных газоходов 27, вырезы окон для вращения валов и под необходимые постели подшипников. Все модули, в т.ч. разделительные перегородки на фиг.1-8 представлены неявно и с условной толщиной, так как толщина последних - всегда расчетная величина.
Отличительной особенностью двигателя заявленной компоновки от обычного ДВС является то, что эти две качающиеся заслонки 16 только в определенный момент, а именно - начало выпуска выхлопных газов и последующей продувки своим телом открывают или полностью перекрывают проходное сечение окна выпуска 7, размещенных непосредственно на вращающейся боковой щеке эксцентричного вала 21.
Введение в конструкцию шатунно-поршневой группы шарового шарнира 5 значительно уменьшило «вредную» составляющую при разложении воспринимающих поршнем сил, то есть появились условия, когда не очень требуется применение сложной системы смазки.
Конструкция заявленного двигателя выполнена таким образом, что по ходу движения выхлопных газов (подобно раскрытию дополнительного паруса на яхте) после каждого рабочего цикла обеспечивается увеличение крутящего момента на эксцентричных валах 21, а в синхронизирующем модулю 50-05 (фиг.6) с размещенным там шестеренчатым зацеплением происходит его плавная передача на коленчатый вал 13, на последнем еще соосно размещены центробежные роторы с радиальными лопастями 22.
Присоединительные места стыковки и крепления модулей на фиг.1 не указаны и согласно осям вращения и расположены в той необходимой соосной последовательности (фиг.1), что обеспечило конструкции двигателя оптимально высокую технологичность при сборки и предопределило последовательное протекание термодинамических процессов в двигателе. Причем только расчетные размеры толщины каждого модуля в ДВС, обеспечивают наиболее полную реализацию превращения химической энергии от сгорания топливной смеси в механическую работу.
Осуществление полезной модели.
Заявленный ДВС работает по двухтактному циклу, то есть за один оборот коленчатого вала 13 происходит наполнение камеры сгорания воздухом или горючей смесью, сжатие ее, сгорание смеси и расширение.
Работа заявленного двигателя осуществляется следующим образом. При движении поршней 4 от ВМТ происходит расширении газов, а затем через сечение окон выпуска 7 и перепускной газоход 27 происходит сообщение объема цилиндра с полостями продолженного расширения двухлопастных роторов 8. Данное сообщение обеспечивается соединением в центре ДВС (на фиг.1-8 не показано) перепускных газоходов 27, синхронным вращением коленчатого вала 13 и вращающейся боковой щеки эксцентричного вала 21, на котором размещено сечение окон выпуска 7.
Когда вал отбора мощности поворачивается еще на определенный угол, но еще не закрылись окна выпуска 7, а телом поршней 4 еще не закрылись впускные окна 18 - начинается прямоточная продувка цилиндра свежей порцией воздуха, при этом также осуществляется и теплосъем излишнего тепла со стенок поршней 4. Прямоточная продувка-это лучший вариант продувки, при этом воздух, проходя через впускные окна 18, движется интенсивным потоком, лучше вытесняя продукты сгорания предыдущего рабочего цикла, при этом значительно улучшается процесс газообмена. Причем повышенное давление продувки увеличивает наполняемость цилиндра топливной смесью и способствует улучшению газообмена, что в конечном итоге несколько увеличивает крутящий момент.
Когда поршень 4 своим телом наконец закрывают впускные окна 18, начинается процесс сжатия в камере сгорания - это обеспечивается выполнением сопряжения нижней части золотника 6 полуцилиндрической формы и плоскими боковыми поверхностями 19. Рабочий ход (такт расширения) начинается от давлением расширяющихся газов сгоревшей топливной смеси. С учетом расположения точек геометрического сопряжения выявлено, что воспламенение горючей смеси более целесообразно в сегменте угла поворота коленчатого вала 13 от вертикальной оси в районе угла 18*-31*, в противном случае суммарное усилие, возникшее при перемещении поршня 4, не столько преобразуется в механическую работу вращения коленчатого вала 13, потому что составляющая радиуса приложения сил очень мала, а лишь приводит к максимальным нагрузкам элементов шатунно-поршневой группы, а также к тепловым перегрузкам конструкции и уменьшение продолжительности рабочего цикла, характерное для двигателей внутреннего сгорания обычного исполнения.
Чтобы сгладить негативные моменты от приложения вышеперечисленных максимальных усилий после быстро протекающей реакции воспламенения (взрыва) горючей смеси и обеспечить сбалансированную работу заявленный ДВС оснащен внутренним поршнем 14, который как и подвижные тяги с шаровыми узлами 12 сочленения и подпружиненный упор размещены внутри тела шатуна 10 и выполнены с возможностью ограниченного взаимодействия и перемещения, направленного по касательной в сторону вращения коленчатого вала 13, когда давления в камере сгорания преодолевает усилие пружин 11, 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 и препятствует распространению детонации, когда в цилиндре протекают процессы расширения рабочего тела.
При перемещении двух качающихся заслонок 16 наступает момент, когда они полностью перекрывают проходное сечение окна выпуска 7, размещенных на вращающейся боковой щеке эксцентричного вала 21 и все повторяется вновь. Наличие в плоских торцевых перегородках внутренних полостей перепускных газоходов 27 минимизирует неактивную площадь ДВС и при этом достигается лучшая компактность.
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 размерам лопасти с внутренними пустотами, выполненные в форме полуцилиндров для облегчения веса и увеличения активной боковой площади вращающих элементов ротора 8, а выполненные сквозные отверстия 29 в боковой поверхностью вращающих лопастей ротора 8 обеспечивают проникновение в эти пустоты определенного объема выхлопных газов при расширении.
Достаточно существенным и важным оказалось малое количество мест где требуется уплотнение, так как 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 сказывается на увеличении крутящего момента.
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.
Теплые выхлопные газы после прохождения ротора 8 и центробежного ротора с радиальными лопастями 22 поступают через патрубок в узел выхлопа 25 поршневого типа с частично перфорированной поверхностью, немного помогая ПВЭЛ совершать возвратно-поступательные движения.
Следует заметить, что предложенная рациональная конструкция элементов, введенных в заявленный ДВС, реально улучшает и качественные показатели происходящих процессов, так как когда достигается более полное удаление продуктов сгорания, их объемный перенос (подобно дымососу) обеспечивается и более качественный газообмен, наполнение цилиндров топливной смесью, последующее ее сжатие и сгорание.
Все в т.ч. и промежуточные паразитные валы 26 синхронизирующего модуля 50-05 закреплены в коренных подшипниках качения. Хотя вращение лопастей ротора 8 не нуждается в специальной синхронизации, так как вращающие лопасти ротора 8, имеющие в сечении восьмиобразную форму обеспечивают при минимальных зазорах и передаче в одном направлении усилий от одного вала другому - безударность и низкую механическую напряженность деталей, высокую надежность и как следствие - 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 - MX - 50» соответствующую критериям «существенные отличия и новизны».