Двигатель внутреннего сгорания "НОРМАС" N20
INTERNAL COMBUSTION ENGINE "NORMAS" N20

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 для 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 усилий.
Для упрощения пояснений взаимодействий деталей и элементов, входящих в послойный разрез, 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. Сущность изобретения со схематическим местоположением элементов ДВС легко поясняется с использованием представленных графических материалов. Но для начало краткого описания заявленного устройства, с целью понятного восприятия и для быстрой ориентации расположения деталей на графических материалах просто необходимо максимально упростить и исключить множество ненужных повторений и обозначений, взяв за основу построения совмещенную (привязанную со всеми элементами ДВС) координатную сетку, причем ее зеркальную часть на базе которой и смонтирована сборная конструкция всего корпуса (Фиг. 2, 3 в сборе).
Вот на фиг. 1 совместно изображены этапы построения модуля синхронизации ДВС с расположением условной половины (правой ее части) цилиндрических шестерен 20, 27 на общей координатной сетке, включая единую точку отсчета 00, расположенную на центральной оси полого вала отбора мощности 12, от которой радиальными лучами равноудалены две точки расположения осевых центров валов 01, которые находятся на середине длины меньшего катета прямоугольного треугольника с вершинами в точках 02 (прямой угол), 03, 04, и одновременно являются центрами кругов одного диаметра, как, впрочем, и сама точка 01.
Причем точки 02 и 03 расположены в осевых центрах объемов камер сгорания цилиндров 16, а точки 04 являются осевыми центрами валов модулей с ранним продолженным расширением, которые оснащены кривошипами 19. Также кривошипом 19 оснащен единый осевой центр вала модулей с рабочим ходом, обозначенный точкой 05, когда противоположно размещенные поршни 10 в цилиндрах 16 перемещаются зеркально по отношению друг к другу или как принято говорить - с оппозитным расположением цилиндров 16, при котором угол развала между рядами (осями) цилиндров 16 составляет 180°.
Хотя, если исходить из аналогии с учетом специфики геометрического построения и вычисления при данном расположения касательных линий к ряду вышеперечисленных кругов, имеющих одинаковый диаметр, а также к центральному кругу с центром в точке 00, то угол развала цилиндров 16 у модулей с ранним продолженным расширением составляет 34°. При этом легко геометрически вычислить и то, что оси модулей с рабочим ходом и ранним продолженным расширение, которые к тому же параллельны вышеприведенным касательным линиям, пересекаются в точках 06 под углами 73°и  107° (180°-73°).
Точкой 07 на фиг. 1 обозначены осевые центры промежуточных (то есть не сквозных для устройства) валов, где соосно закреплена одна пара (фиг. 5 - если при расчете на прочность необходимо двухстороннее закрепление валов около корпуса) из комплекта цилиндрические шестерни 27 зацепления, которые последовательно передают крутящий момент на промежуточную шестерню 20, также имеющая одинаковые параметры зацепления и геометрические размеры зубьев, но вращающую с меньшей частотой оборотов сам полый вал 12.
В центре сквозных валов обозначенных точками 01, 08 и 09 расположены 3-ходовые краны 18, перепускные полости которых образованы соединением внутренней полости воздуховодов 17 с выполненными отверстиями в запирающем или регулирующем органе крана, имеющего сферическую форму.
Заметим также, что как позиционировалось выше - с целью понятного восприятия и быстрой ориентации расположения деталей на всех представленных графических материалах все обозначения осевых центров валов или обозначение названий исключают ненужные повторения. Как пример, это обозначение цилиндров 16, днища 11 (головки) сборных поршней 10, которые могут быть встроены в разные по функционалу модули и порой могут иметь разные формы, но введены в ДВС для одного предназначения.
Согласимся, что все днища 11, в том числе и в составе сборной кулисы 14, не имеют существенных отличий особенно при подборе материала - здесь много взаимозаменяемого, кроме, пожалуй, самой формы конструкции. Хотя не только толщина днища 11 поршней 10, форма поверхности его днища или крышки 21 цилиндра 16 формируют объем камеры сгорания и определяют расчетную степень сжатия, но и другие важные термодинамические параметры.
Оговоримся сразу, что в этом кратком описании Вы не найдете пояснений относительно расположения технологических выборок (карманов) для крепления, стыковки, допустим тех же межмодульных перегородок, а на графических материалах допустим одни зазоры в местах перемещений или вращений узлов и элементов местами то отсутствуют, то сознательно увеличены или изображены весьма упрощенно, но в целом везде выдерживаются межосевые расстояния друг от друга, особенно центров кругов, которые сознательно выделены, а общие точки на фиг. 2 и 3 соседствующих модулей, но находящиеся на разных фигурах обозначены знаками *-**, так как они являются частями одного целого. На координатной сетке, где диаметры соответствующих кругов привязаны касательными линиями, удобно осуществлять точную деталировку элементов, узлов и модулей, которые введены в состав ДВС, которые еще характеризуется небольшим числом наименований, вошедших в комплектацию, при этом в графических материалах удалось избежать прорисовку мелких деталей.
Кстати, на левой части фиг. 1 диаметр кругов сознательно изображен утолщенной линией, хотя нетрудно заметить, что диаметры кругов на фиг. 1-4 с учетом конечно масштабирования реально равны диаметрам поршней 10, цилиндров 16, диаметрам боковых щек 15, размещенных в межмодульных перегородках и имеющих цилиндрическую форму, между парами которых размещены кривошипы 19, с учетом, конечно, допусков при изготовлении, а также равны диаметрам окружности впадин зубьев шестерен 27 зацепления, которые выполнены цилиндрической формы с возможностью синхронного вращения, последнее помогает понять о термодинамических процессах в ДВС на графических материалах, происходящих в данный момент времени.
Ниже выясниться, что синхронное вращение валов 01, 08 и 09 обеспечивает и работу воздуховпускных органов, кстати, последнее словосочетание неслучайно позаимствовано (взято) из вышеприведенной фразы выбранного прототипа, но позиционируется вместе с применением современных элементов, материалов, технологий, ориентированных только на достижение технического результата.
А чтобы в газопоршневом или дизельном варианте ДВС происходило четкое протекание термодинамического цикла с расчетными параметрами, а сам впрыск топливной смеси был растянут по времени относительно угла поворота полого вала 12, крышки 21 цилиндров 16 снабжены гнездами 22 для размещения в них форсунок, которые не случайно изображены на всех крышках 21 цилиндров 16.
На фиг. 2 изображен момент окончания рабочего хода и графически (стрелками) подмечено как происходит петлевая продувка цилиндров 16 от остатков продуктов сгорания посредством применени системы воздуховпускных органов. Почему систему - потому, что воздуховпускными органами в данном случае названы не только введенные в систему обратные клапана 13, но и составные части кулисы 14, а по сути, - поршни 10 воздушной помпы с манжетным уплотнением цилиндров, трубчатые воздуховоды 17 с окнами впуска и выборками, расположенными по периметру цилиндров 16, участки с необходимыми перепускными байпасными воздуховодами и объемами, золотники воздухораспределительные или, если упрощенно - 3-ходовые краны, перепускные полости которых образованы введением во внутреннюю полость воздуховода 17 с соответствующими отверстиями в органах шаровых кранов 18, выполненные с возможностью синхронного вращения от соосного соединения с валами 01, 08 и 09, а также введением в систему сильфонов 23 для наддува.
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, поэтому на 3-ходовом кране 18, который синхронно вращается от вала 09 не отображено его положение - вариантов здесь много, как с перепуском воздуха в сильфоны 23, так и с использованием охлаждения воздуха при подаче в ДВС.
На фиг. 2, 3 точки 02 и 03 действительно расположены в осевых центрах объемов камер сгорания цилиндров 16, а единый осевой центр вала модулей с рабочим ходом, обозначен точкой 05. Отчетливо видны противоположно размещенные поршни 10 с шатунным пальцем 26, которые посредством сборной кулисы 14, четного числа прямых пластин 25, имеющих форму двутаврового профиля с укороченными, но утолщенными плечиками, с перфорированной поверхностью, центральным сквозным отверстием и с проушинами 29, а также наличием шаровых сочленений 24, выполненные с возможностью совершать ограниченные возвратно- поступательные перемещения в цилиндрах 16. Сборные кулисы 14 всегда имеет форму полуцилиндра - это продиктовано тем, что полусферическая форма во многом предпочтительнее, оптимальна, промышленно технологично с учетом применения плоских межмодульных перегородок (на фиг. 2-4 они не показаны). Очевидно и то, что технический результат вышеперечисленного перемещения достигается посредством конструктивного размещения в сборных кулисах 14 двух направляющих лотков, где кривошип 19 имеет возможность совершать такой же вид перемещения. А при больших размерах кривошип 19 снабжается ползуном (на фиг. 3-10 его нет, чтобы не мельчить), выполненный с возможностью свободно вращаться относительно оси кривошипа 19 при передаче усилий посредством размещения обоймы подшипника качения, кстати, последние размещены, как правило, между внутренним диаметром проушины 29 пластины 25 и диаметром кривошипа 19.
Аналогичные признаки присутствуют при описании узлов модулей с ранним продолженным расширением, лишь с небольшой разницей, так как при этом на поршневом пальце 26 поршней 10 расположено по центру - нечетное число пластин 25, которые на заявленном варианте ДВС тоже (то есть все) имеют одинаковую длину между центрами сочленения. Вот почему четное число пластин 25 одинаковой длины на модуле с рабочим ходом не попали в разрез.
Если исходить из того, что технической задачей изобретения является и способ улучшения технологичности изготовления и обеспечение данного варианта заявленного варианта ДВС небольшим по количеству введенных наименований в комплектацию и отсутствием узлов с мелкими деталями - все это, как и вышеприведенная одинаковость размеров поршней 10, пластин 25, шестерен 27, частей сборной кулисы 14, боковых щек 15 формирует полезную функциональность при конструировании и придает элементам ДВС бесспорную оптимальную технологичность, как при их изготовлении, так и при сборке.
Экспериментальные и термодинамические расчеты показали, что полное расширение рабочего тела до того момента, когда при рабочем ходе ДВС изменяется вектор движения кривошипа 19, не дает того прироста работы на индикаторной диаграмме ДВС, который может быть обеспечен только за счет возможности качественного газообмена, а также от хорошо отлаженного раннего продолженного расширения, которое начинает осуществляться еще до того, когда поршни 10 в модулях с рабочим ходом изменят свой вектор движения. На фиг. 4 графически (стрелками) отображено начало этого процесса.
Да и согласитесь, считается, что начальное движение свободного от связей поршня 10 первоначально 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.
Для того, чтобы достичь технического результата по вопросу качественного газообмена, в систему воздуховпускных органов введены встроенные 3-ходовые краны 18, которые расположены на центре длины сквозных валов с точками 01, 08 и 09, перепускные полости которых образованы соединением внутренней полости воздуховодов 17 с выполненными отверстиями в запирающем или регулирующем органе крана, имеющего сферическую форму, с возможностью синхронного вращения от соосного соединения с данными валами, а по сути, здесь позиционируется наличие объединяющей прямой и обратной взаимосвязи, которая в определенный расчетный момент положения соответствующих шестерен 27 осуществляет петлевую продувку или наполнение цилиндров 16 воздухом с наддувом, что несомненно и позволяет говорить о присутствие в изобретении признаков перспективного газообмена.
Вторым важным фактором прироста работы (или прироста площади на индикаторной диаграмме ДВС) безусловно является раннее продолженное расширение, выхлопных газов прорывающихся из цилиндров 16, где при детандерном редуцировании реализуется генерация энергии выхлопа, причем, именно этот начальный момент изображен на фиг. 4, когда поршень 10 еще не изменил свои векторы движения, пройдя лишь половину своего рабочего хода.
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.
Технической задачей в целом, на решение которой направлено конструктивное выполнение заявленного варианта бесшатунного двухтактного ДВС по сути является расширением кинематических возможностей ДВС, включающего также то, что сборный корпус заявленного ДВС собран из модулей с рабочим ходом и с ранним продолженным расширением выхлопных газов, кстати, осевые линии последних расположены с углом развала 34°, а также модулей с синхронизацией вращения рядного числа валов на один полый вал 12 отбора мощности, при этом сборная (зеркальная) конструкция ДВС (фиг. 2, 3) смонтирована с учетом координатной сетки (фиг. 1), на которой предопределено местоположение центров кругов одного диаметра, расположенных около одного круга большего диаметра с единой точкой отсчета 00 на оси полого вала 12 так, что возможно только между рядами этих кругов провести пересечение касательных линий, при этом оси модулей с рабочим ходом и ранним продолженным расширением пересекаются под углами 73° и 107°, а точки 02 и 03 расположенные на осевых центрах объемов камер сгорания цилиндров 16 вместе с точкой 04, расположенной на осевых центрах валов модулей с ранним продолженным расширением, образуют на координатной сетке фигуру прямоугольного треугольника с вершинами в этих точках (причем из этого утверждения высчитывается угол развала осей цилиндров 16 в модулях с ранним продолженным расширением величиной 34°); при этом нетрудно заметить, что диаметры кругов реально равны диаметрам поршней 10, цилиндров 16, диаметрам боковых щек 15, размещенных в межмодульных перегородках, между парами которых размещены кривошипы 19, с учетом, конечно, допусков при изготовлении, а также равны диаметрам окружности впадин зубьев шестерен 27 зацепления, выполненных с возможностью синхронно передавать крутящий момент на промежуточную шестерню 20, которая тоже имеет цилиндрическую форму, одинаковые параметры зацепления и геометрические размеры зубьев, но вращающую с меньшей частотой оборотов сам полый вал 12 - это, собственно, и составляет технический результат, который достигается посредством соединения поршней 10 через поршневой палец 26 с четным или нечетным числом прямых пластин 25 одинаковой длины, имеющих форму двутаврового профиля с укороченными, но утолщенными плечиками, перфорированной (для уменьшения веса) поверхностью, центральным сквозным отверстием и с проушинами 29; пластины 25, в свою очередь, соединены с помощью шаровых сочленений 24 с соответствующими сборными кулисами 14 полуцилиндрической формы, которые, в свою очередь, через наличие в них размещенных направляющих лотков, где кривошип 19 при наличии усилий тоже имеют возможность совершать ограниченные возвратно- поступательные перемещения; а в систему воздуховпускных органов ДВС введены встроенные 3-ходовых краны 18, которые расположены на центре длины сквозных валов обозначенных точками 01, 08 и 09, перепускные полости 3-ходовых кранов 18 образованы соединением внутренней полости воздуховодов 17 с выполненными отверстиями в запирающем или регулирующем органе 3-ходового крана 18, имеющего сферическую форму и с возможностью синхронного вращения 3-ходовых кранов 18 от соосного соединения с данными валами, а также обратные клапана 13 выполнены с возможностью ограниченного поворота их шибера.
He желая связывать себя с какой-либо теорией, авторы изобретения полагают и в конструировании всех вариантов ДВС «НОРМАС» исходят из утверждения, что всякое перемещение поршня 10 в цилиндре 16 модуля с рабочим ходом начинается и происходит как следствие исключительно от наличия начального импульса в камере сгорания, и этого уже достаточно (и даже полезно), чтобы поршню 10 пройти свой рабочий ход, даже тогда, когда формированный расчетный поток выхлопных газов уже оказывается в модуле с ранним продолженным расширением и другой поршень 10 на продолжении начального импульса (хорошо, если он еще будет затяжной и с продолжительным горением, как у дизелей) пройдет тоже свой, но уже второй рабочий ход в нужном нам направлении приложения усилий, а силы инерции здесь только помогут. Как вскользь замечено выше, было бы куда и где расширяться, и это подобно установке дополнительных парусов при попутном потоке или сильных затяжных порывах ветра, чтобы реально усиливает тягу и скорость парусника.
Одновременно, любой технический результат реализуется более полно, когда в заявленном ДВС в момент начала раннего продолженного расширения конструктивно предусмотрено формирование потоков и, безусловно, защита сборных узлов ДВС от порой разрушительной температуры выхлопа, который поступает над поршнем 10 (фиг. 4), расположенного в ВМТ по газоходам (фиг. 2-4 они не обозначены) после 3-ходового крана, соосного с валом с точкой 01.
Поэтому поршень 10 в заявленном ДВС тоже по сути сборный, так как в днище 11 поршня 10 предусмотрена выборка двух профильных отверстий 28 для формирований потоков, а внутренняя полость стакана армирована (содержит) фигурными перфорированными пластинками, расположенными боковыми срезами под определенными углами к поверхности стакана, изображенных на фиг. 2-4 с целью уменьшения температурного градиента при теплопередаче (подобно наличию «слегка теплой» боковой поверхности у пластинчатых теплообменников, работающих в диапазоне высоких температур). Большей частью это выполнено и при конструировании крышек 21 цилиндров 16.
А то, что на всех модулях расположены гнезда 22 для форсунки - не ошибка, а вполне осознанное решение, вплоть до перевода в режим с рабочим ходом.
Детали, входящие в ДВС могут быть получены с использованием общепринятых технологий литья, механической обработки, штамповки и т.д. Еще часть деталей могут быть выполнены из композитных материалов и волокон.
Одновременно предоставленные графические материалы и краткое описание конструкции варианта ДВС «НОРМАС» №20 не исчерпывают всю сущность изобретения и не ограничивают каким-либо образом возможные варианты его осуществления, а лишь открывают новые возможности в объеме заявленной формулы, и если 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.
В данном случае - это, например, полезное встраивание причем только одного блока заявленного ДВС в составе судна (танкера), где без редукции оборотов двум валам возможно кинематически синхронно взаимодействовать между собой (фиг. 5), передавая увеличенный крутящий момент двум гребным валам, обеспечивая изобретению перспективное промышленное применение.