Двигатель внутреннего сгорания "НОРМАС" N 28
INTERNAL COMBUSTION ENGINE "NORMAS" N 28

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, предопределило 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 полом (трубчатом) валу отбора мощности 12.
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 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 сил.
Именно больше для упрощения пояснений взаимодействий деталей и элементов, входящих в послойный разрез, а также для краткого описания взаимосвязи, их местоположения при сборке предопределило введение понятия - модуль и его маркировку. Введение термина модуль определяется полезной и устойчивой совокупностью похожих свойств, которые диктуются при конструировании ДВС.
Сущность изобретения со схематическим местоположением элементов ДВС легко поясняется с использованием представленных графических материалов:
В начале краткого описания заметим, что для удобства восприятия на фиг. 1-16 маркировка осевых точек 01-06 (центры объема камеры сгорания), но и валов с осевыми точками 07-10 в центре вала, так и других значимых элементов ДВС остается неизменной, хотя часть торцевых и боковых мест стыковки или мест крепления частей ДВС изображены упрощенно. Не найдете в этом кратком описание пояснений относительно технологических выборок (карманов) для размещения там узлов крепления деталей. А вот зазоры в местах перемещения и вращения узлов или элементов ДВС на фигурах местами то отсутствуют или сознательно увеличены, но при этом выдерживается межосевое расстояние и взаимное местоположение центров валов 07-10 друг от друга, что придает конструкции ДВС бесспорную оптимальную технологичность при сборке.
На фиг. 1-2 в уменьшенном масштабе изображена геометрическая совместная сетка расположения модулей с рабочим ходом от №28 - 01 до №28 - 06 с местоположением валов с точками 07-10, причем данные номера привязаны с местоположением осевого центра объема камеры сгорания этих модулей, эта же цель маркировки заложена и с местоположением точек 07-10 на осях валов соответственно. Совместная оттого, что в одних угловых координатах сетки представлена совокупность возможных компоновок ДВС, начиная от V-образной двухцилиндровой с углом развала цилиндров 90° (Фиг. 2) и 120° (Фиг. 1) до совмещенных трех или четырехцилиндровой, но уже звездообразных.
На фиг. 3 изображено сечение модуля с рабочим ходом №28 - 01 (угловой сектор 0° Фиг. 1), в котором при данном положении кривошипа 30 в осевом центре 01 камеры сгорания уже произошло сжатие воздуха, впрыск топлива, начинается местами предпламенное горение горючей смеси, при этом рабочий ход поршней 28 обеспечивается посредством размещения между модулями с рабочим ходом кулисы 32 полуцилиндрической формы, пластин 29 двутаврового профиля с укороченными плечиками, введенных шарнирных сочленений 26 и наличием прорези 21, кстати, на фиг. 3 и 9 изображено как через прорезь 21 под элементы помпы 22 происходит наполнение воздухом нижней части цилиндра 16. Чтобы в газопоршневом или дизельном варианте ДВС четкое протекание термодинамического цикла происходило с уже известными параметрами, а сам впрыск топливной смеси был растянут по времени относительно угла поворота полого вала 12 камеры сгорания ДВС снабжены парой форсунок 31.
Экспериментальные и термодинамические расчеты показали, что полное расширение рабочего тела до того момента, когда при рабочем ходе ДВС изменяется вектор движения кривошипа 30, не дает того прироста работы на индикаторной диаграмме ДВС, который может быть обеспечен только за счет возможности качественного газообмена, а также от хорошо отлаженного продолженного расширения, которое начинает осуществляться еще до того, когда поршни 28 в модулях с рабочим ходом изменят свой вектор движения.
Да и согласитесь, считается, что начальное движение свободного от связей поршня первично обеспечивается исключительно взрывным импульсом и фронтом воспламенения горючей смеси, а так же законами инерции при его дальнейшем перемещении (подобно бильярдному шару после удара или вылетающему снаряду), а само расширение сгоревшей смеси всегда вторично и является скорее функцией геометрических размеров полостей расширения, как говорится - было бы, где и куда расширяться, обеспечивая при этом однонаправленность вектора движения и полезную взаимосвязь узлов ДВС.
На фиг. 4 изображена сечение модуля с рабочим ходом №28 - 03 (угловой сектор 120° на Фиг. 1), когда при данном положении кривошипа 30 к этому моменту поршень 26 прошел уже половину рабочего хода и своим телом уже начинает открывать профиль цилиндрической формы газоходов 17, выполненных с возможностью демонтажа в виде поворотных отводов 33 (фиг. 7), в центральной части которых соосно смонтирована пластинчатая перегородка 19, входная и выходная кромки которой плавно развернуты относительно друг друга вдоль оси на 180°, и которая разделяет и формирует потоки выхлопных газов на две части, чтобы происходило интенсивное закручивание, перемешивание и выравнивание скоростей потока выхлопных газов уже при продолженном расширении, что реально дополняет прирост индикаторной работы ДВС и продолжительность действия возникающих однонаправленных усилий.
Не случайно на фиг. 5 и 8, где изображены моменты окончания рабочего хода и уже происходит петлевая продувка цилиндров 16 от остатков продуктов сгорания, при этом графически подмечено, что на валах 07 и 08 (120° и 90° развал цилиндров соответственно) уже нет стрелок моментов (импульсов) вращения, а вот на валах 09, которые связаны и контактируют шестернями 35 зацепления с валами 08, изображены угловые секторы, где в данный момент еще присутствуют импульсы вращения, и которые вызваны уже продолженным расширением выхлопных газов в соответствующих экспандерных цилиндрах 13 (Фиг. 12, 14,15), когда детали помпы 22 (Фиг. 12) или кулиса 39 (Фиг. 14, 15) уже прошли половину своего хода и продолжают перемещаться, имея при этом максимальный радиус кривошипа 30, что способствует выходу из «зоны мертвых углов» других цилиндров 16 и приращению дополнительного крутящего момента.
Нетрудно на фиг. 1-16 также заметить, что технической задачей изобретения является способ улучшения технологичности изготовления и обеспечение данного варианта ДВС конструктивными решениями, когда не нарушая казалось бы простой принцип расположения типа «стакан в стакане», формируется полезная функциональность при сборке с отсутствием мелких деталей в узлах.
Единственное, что на фиг. 3-9, 12, 15 изображено условно - это размер единого радиуса расположения кривошипа 30 от центра валов 7-10 (хотя расчетный размер радиуса кривошипа может быть любой длины, не выходящий за пределы цилиндрической формы щеки 15), который для удобства привязан тоже к линии круга вышеописанного диаметра, чтобы избежать нанесения мелких и лишних линий на представленных графических материалов, особенно тогда, когда цилиндрическая форма исполнения элементов ДВС по ряду расчетных величин может быть меняться на оптимальную полуцилиндрическую форму порой более предпочтительную и технологичную для промышленного применения с учетом плоских межмодульных перегородок (на Фиг. 3-16 не показаны) корпуса 23.
Еще на фиг. 2, 13-16 знаком * графически подмечены координаты точек, которые несущественно смещены в ту или иную сторону от положения на фиг. 1-2 и лишь характерны при V-образном симметричном расположении осей цилиндров 16.
Несмотря на то, что на фиг. 5 и 8 изображен момент, когда происходит петлевая продувка цилиндров 16 от остатков продуктов сгорания и понятно, что продувка закончится, как только телом поршней 28 сначала закроются воздуховпускные окна на воздуховодах 17, затем сечение (проход) отводов 33 и начнется процесс сжатия новой порции воздуха. При этом замечаем, что при перемещении между этими позициями поршня 28 необоснованно теряется пусть небольшая, но все-таки часть новой порции воздуха и, стало быть, уменьшается степень сжатия.
Поэтому в заявленный вариант ДВС может быть введен дополнительный участок воздуховода 17, назовем его байпасом 14, который изображен только, кстати, на фиг. 8 и может быть расположен как поверх, так и между «стаканами», причем укомплектованный обратным клапаном, чтобы при закрытии окон на воздуховоде 17 и при открытом еще сечении (проходе) в отводах 33 продолжалось снабжение цилиндров 16 новой порцией воздуха и ее последующее сжатие.
ДВС для обеспечения подачи свежего заряда воздуха в рабочий объем модулей с рабочим ходом снабжен воздуховодами 17 с окнами впуска, при этом очистка рабочего объема ДВС от продуктов сгорания (пример на Фиг. 5) предыдущего цикла предусмотрена возможность решения как правильным подбором углов опережения открытия или запоздания закрытия при размещении кривошипа 30 между боковыми цилиндрической формы щеках 15 и наличием расчетной высот специальных выработок определенной формы и профиля на поршне 28 и на цилиндрах 16 в районе входящих и выходящих дросселирующих потоков (на Фиг. 3-16 не указаны, так как здесь требуется детальная проработка).
ДВС также оборудован воздушными помпами 22 с манжетным уплотнением цилиндров 16, которые включают возможность осуществлять продувку и наполнение цилиндров 16 новой порцией воздуха (Фиг. 5 и 8), воздухообмен в полости 27 внутри поршней 28 избыточным давлением воздуха в момент начала продолженного расширения (Фиг. 4 и 7). Расчетный объем воздуха может быть обеспечиваться также тогда, когда под действием выхлопных газов в цилиндрах 13 происходит перемещение как отдельных кулис 39, так и спаренной кулисы 32 для этого в ДВС предусмотрено размещение воздухозаборных устройств с двумя разными конусными пружинами сжатия 38 в соответствующих местах.
Хотя 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 и которое в данном случае осуществляется, когда входящих или выходящие (назовем их дросселирующие) потоки воздуха проходят через перепускные отверстия 20 двух пустотелых кольцевых полостей 18 или через воздуховоды 17.
На фиг. 4 и 7 изображены два момента, когда начинается продолженное расширение выхлопных газов, поступивших из цилиндров 16 в эспандерные цилиндры 13, причем начинается, когда поршень 28 еще не изменил свои векторы движения, пройдя лишь половину рабочего хода, и одновременно изображен тот момент, когда геометрически совпали окна на воздуховодах 17 и окна входа во внутрипоршневую полость 27 - начинается формирование и очередной перепуск более горячих объемов воздуха из полости 27 в систему воздуховодов 17.
Почему систему - потому, что воздуховпускными органами названы и полость картера 42 (фиг. 13), и введенные воздушные помпы 22 с манжетным уплотнением цилиндров 16, воздуховоды 17 с окнами впуска, байпас и кольцевые золотники воздухораспределительные с двумя кольцевыми пустотелыми полостями 18, которые образованы введением во внутреннюю полость полого вала 12 коротких и длинных катушек (на фиг. 1-16 не обозначены, но видны контуры полостей 18) с расчетными размерами и углами фиксации, снабженные соответствующими перегородками 19 и перепускными отверстиями 20, при этом эти две пустотелые кольцевые полости 18 являются своеобразными воздухораспределительными воздуховодами и все это обеспечивает расчетную величину давления наддува.
Кстати, благодаря наличию валов 10, шестерен 34 и венцов 36 зацепления воздухораспределительные золотники вращаются синхронно с протекающими циклами и могут быть выполнены с комбинацией перегородок 19, перепускных отверстий 20 как для каждого модуля с рабочим ходом, так и совмещенными.
И еще - на фиг. 3-5, 7-9, 10-15 перегородками 19 для удобства тоже обозначены и тонкостенные ребра жесткости в поршне 28, а также перегородка, входная и выходная кромки которой плавно развернуты относительно друг друга вдоль оси на 180° и закреплена внутри отвода 33, что позволяет формировать выхлоп.
Кстати, воздуховоды 17 с окнами впуска воздуха могут быть любой формы расположены как на боковой поверхности параллельно прорези 21 (Фиг. 3-5), так и в другом эргономически удобном для формировании потоков месте (Фиг. 7-9).
Во введенных в ДВС модулях с продолженным расширением выхлопных газов, а точнее в закрепленных эспандерных цилиндрах 13 полуцилиндрической формы при перемещении сборного элемента помпы 22, связанной с шатуном 40 (Фиг. 12), или кулисы 39 (Фиг. 15), где подобно детандерному редуцированию реализуется генерация энергии выхлопа, причем выхлопные газы при почти атмосферном давлении выйдут из цилиндров 13 через окна 41 выхлопа с соплами.
Кроме того, кулисы 32 и 39 с комплектом пластин 29 и введенных шарнирных сочленений 26 имеют возможность взаимодействовать и совершать ограниченные перемещения, которые перпендикулярны расположению одной (Фиг. 3-5, 7-9) или двум из всех семи соответствующий хорд (как в случае, изображенном на фиг. 2, 13 и 16 при совмещенном V-образного симметричного расположения осей цилиндров 16 и диаметрально противоположным расположением кривошипов 30).
А величина углового сектора на круговой диаграмме газораспределения от начала перемещении поршней 28 в цилиндрах 16 до начала перемещения сборного элемента помпы 22 в цилиндрах 13 составляет уже порядка 90° плюс еще 180° (Фиг. 12) углового сектора обеспечивается самим продолженным расширением - то есть в сумме 270° - и это только после одного воспламенения.
Как вскользь замечено выше, было бы куда и где расширяться, и это подобно установке дополнительных парусов при попутном потоке или сильных порывах ветра, чтобы реально усилить тягу и скорость парусника.
Не желая связывать себя с какой-либо теорией, авторы изобретения полагают, что всякое перемещение в цилиндре начинается и скорее происходит под действием исключительно начального взрывного импульса в камере сгорания или истечения выхлопных газов из профилированных отверстий - как следствие правильного расчета при детандерном редуцировании, когда за счет введенной дополнительно площади рабочих органов увеличивается и крутящий момент.
Понятно, что очень трудно сохранить отлаженную термодинамику проходящих в ДВС процессов, гарантируя при этом качественный газообмен с устойчивым воспламенением топливно-воздушной смеси и разделенным процессом расширения, особенно соблюдая параметры процесса выхлопа, так как мерой энергии выхлопа, порой разрушительной, по сути является температура выхлопа.
Поэтому тело корпуса 23 (Фиг. 12 и 15) ДВС, выполнено из расчетного числа ориентированных слоев (подобно фанере) сопряженных и закрепленных между собой пластин из облегченных композитных материалов с термостойкими волокнами (углеткань, карбон - кевлар и др.), керамики. Подобные материалы могут быть использованы и при осуществлении технологически приемлемого подхода при изготовлении отводов 33, встроенных в корпус 23 с возможностью их демонтажа, причем поверхность, подверженная воздействию температурных потоков должна покрыта защитным слоем, уберегающим его от разрушения.
Одновременно новый технический результат достигается также тем: что сборная конструкция корпуса 23 ДВС смонтирована с учетом совмещенной координатной сетки и линии закрепления 11, где точки 01-06 являются центрами объема камер сгорания ДВС шести модулей с рабочим ходом (от №28-01 до 06 включительно), а также точками пересечения соответствующих пар из семи хорд окружности с одним осевым центром 00 полого вала 12 (Фиг. 1-16); причем три хорды, являются сторонами равностороннего треугольника, а остальные четыре хорды из семи - сторонами квадрата, кстати, квадрат, как и равносторонний треугольник, вписаны в одну окружность, а длина их сторон при этом определяется как соотношение размеров равное √3/√2 соответственно; и каждая внешняя сторона равностороннего треугольника, и каждая внутренняя сторона квадрата являются касательной линией к паре кругов, центры 07 и 08 которых равноудалены от единого осевого центра 00, и расположены на одинаковом расстоянии друг от друга, и имеют равные диаметры (Фиг. 1-16);
в первом случае - местоположение осевых центров шести кругов всегда и везде обозначены привязанной к соответствующим осям симметрии модулей с рабочим ходом - точкой 07 (т.е. это 120° угол развала осей цилиндров - Фиг. 1);
во втором случае - восьми кругов также всегда и везде на фиг. 1-16 обозначены точкой 08 (т.е. это обозначает 90° угол развала осей цилиндров - Фиг. 2);
а вот осевые центры остальных валов, которые непосредственно связаны параметрами зацепления с предыдущими осевыми центрами с точками 07 или 08 обозначены - точкой 09, а осевые центры промежуточных валов соответственно - точкой 10, если к этим точкам добавим участки окружности линии 11 закрепления, выделим ее более толстой линией, то увидим, что местоположение семи хорд и обозначение точек 00-10 и линии 11 на всех фиг. 1-16 всегда предопределено;
причем при взаимным расположении точек 00-10, (кроме на фиг. 1-2, 14, 16, где они нанесены в уменьшенном масштабе), диаметры кругов равны диаметрам поршней 28, цилиндров 16 и 13, выполненных с учетом необходимых допусков при изготовлении, и диаметрам боковых цилиндрической формы щек 15, между которыми размещен кривошип 30, а также диаметрам окружности впадин зубьев шестерен зацепления 35, установленных в модулях групповой синхронизации с возможностью через взаимодействие введенных и закрепленных на валах 10 промежуточных шестерен 34 и через зубчатый венец 36 закрепленный на полом вале 12 отбора мощности совместно синхронно вращать его (Фиг. 6, 10, 16); также с диаметрами кругов и размещением точек 01-10 напрямую связаны реальные параметры этапов перемещений и рабочий ход поршней 28, которые, как позиционировалось выше, имеют возможность совершать ограниченные возвратно-поступательные перемещения в соответствующих цилиндрах 16 посредством соединения их с кулисами 32 или 39 через комплект пластин 29 двутаврового профиля с укороченными плечиками и введенных шарнирных сочленений 26 или проушин, которые выполнены непосредственно в косынках 37;
сами же кулисы 32 или 39 полуцилиндрической формы, которые выполнены с образованием двух направляющих лотков, между которыми совершает ограниченные возвратно-поступательные перемещения полусферический формы ползун 25, выполненный с возможностью свободно вращаться относительно оси кривошипа 30 при передаче силовых моментов и усилий.
Хотя, в заявленном варианте ДВС не только при увеличенном цифровом масштабировании ползун 25, как и валы 09, которые непосредственно связаны параметрами зацепления с валами 08, могут быть выполнены с возможностью вращаться относительно оси кривошипа 30 посредством размещения между ползуном 25 и кривошипом 30 обоймы игольчатого подшипника качения 24 и на фиг. 3-5, 7-9 и 13 предусмотрительно смонтированы в гнезда-постели, которые являются частью корпуса 23 и обеспечивают жесткость конструкции узлов ДВС.
А для увеличения устойчивости при передаче воспринимающих усилий в узлах шаровых сочленений 26, в «стаканах» поршней 28 еще размещены пластинчатые перегородки 19, которые, кстати, как и полость 27 выполнены с возможностью два раза за оборот осуществлять отвод (перенос) излишнего тепла посредством размещения в ДВС системы воздуховодов 17 и воздухораспределительных золотников с частотой их синхронного вращения, что и у полого вала 12.
Очевидно, что при использовании технического решения у прототипа «цилиндры с целью обеспечения продолженного расширения продуктов сгорания выполнены разного объема», а вот конструкция ряда компоновок ДВС характеризуется возможностью применения идентичных размеров, а необходимая «разность объемов» достигается простым расчетным изменением толщины тех же кулис 39 полуцилиндрической формы в допустимых пределах (Фиг. 15).
Причем заметим, что новым достигаемым результатом заявленного изобретения является и то, что когда какие-то признаки раскрыты для одной компоновки изобретения, то эти же признаки могут быть использованы и в совмещенных компоновках осуществления изобретения, так как при этом выполняется важное условие, что это в конечном случае не противоречит смыслу и духу изобретения.
При этом характерно, что размеры любой полезной компоновки ДВС не выходят за пределы контуров утолщенной линии 11 закрепления (Фиг. 1-16) - это не одна особенность, которой объединены при различной компоновке узлы ДВС, имеющие также одни параметры перемещения (в том числе рабочий ход), когда передаются силовые моменты и прослеживается единая закономерность применения изобретения, как в случае совмещенных трех или четырех цилиндровой (звездообразных) при применении ДВС в колесной паре или же при V-образном симметричном расположении осей цилиндров 16 в ДВС (фиг. 13 и 16), когда при наличии полого вала 12 легко прослеживается возможность полезного и перспективного применения его в составе промышленно применимой установки горизонтального направленного бурения (УГНБ).
Предоставленные графические материалы и краткое описание конструкции варианта ДВС «НОРМАС» №28 не исчерпывают и не ограничивают каким-либо образом возможные варианты его осуществления, а лишь открывают новые возможности в объеме заявленной формулы и обеспечивают изобретению перспективное применение, когда ДВС будет использован в составе автономного привода колесной пары, промышленно применимой установки горизонтального направленного бурения (УГНБ) изображенной на фиг. 17 или в аэродинамической оболочке беспилотного летательного аппарата (БЛА), если между генератором от вала 10 и двумя вентильными (бесколлекторными) электродвигателями 43 с лопастями, закрепленными в поворотном кожухе, которые условно изображены на фиг. 18, собран «электрический вал» с необходимой частотой вращения.