Двигатель внутреннего сгорания "НОРМАС". Вариант - НОРМАС N 26
NORMAS INTERNAL COMBUSTION ENGINE, VERSION - NORMAS N 26

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 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 градусов относительно кривошипа цилиндра большего объема.
Недостатками выбранного прототипа являются то, что при продолженном расширении продуктов сгорания в нем, не изменяя геометрические размеры цилиндров разного объема, не получается очень направленно и наиболее полно реализовать преимущества качественного газообмена.
Задачей на решение которой направлено конструирование как заявленного, так и предыдущих вариантах ДВС «НОРМАС» с приоритетом, начиная от 25.10.2011 г. - это создание новых взаимосвязей между введенными модулями конструкции, которые обеспечивают полезную многофункциональность и максимальную индикаторную работа, когда возможно сохранить отлаженную и эффективную термодинамику проходящих в ДВС процессов и без применения редуктора получить максимально возможный крутящий момент.
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 их приложения. Поставленная задача предопределила выбор двухтактного ДВС, где усилия необходимые для получения увеличенного значения крутящего момента, создается не только после каждого второго хода поршня, а и по мере нарастания активной площади введенных устройств.
Технической задачей, на решение которой направлено конструктивное выполнение заявленного варианта бесшатунного двухтактного ДВС с полым валом отбора мощности 20 по сути является расширением кинематических возможностей ДВС, включающего в том числе модульный состав сборного корпуса 21, узлы групповой синхронизации и характеризующееся, тем что его сборная конструкция смонтирована из трех блоков одинаковых по количественному составу комплектации и по соотношению размеров однотипных групп модулей (1 - модули с рабочим ходом; 2 - модули с продолженным расширением; 3 - модуль синхронизации вращения валов ДВС и отбора мощности) так, что подвижные элементы этих модулей имеют возможность кинематически синхронно взаимодействовать между собой,
при этом парные между собой группы модулей, где происходит рабочий ход или продолженное расширение расположены и закреплены в разных параллельных плоскостях, а между ними встроены одинаковые по набору шестерен 22 зацепления (фиг. 2-3) и выполняемой функции - упомянутые выше узлы синхронизации вращения валов 11-20 и отбора мощности ДВС,
кстати, в объединяющем синхронизирующем модуле №26-07 функцию отбора мощности осуществляет шестерня (эпицикл) с двумя венцами 27 зубьев внутреннего зацепления, которая условно и сознательно выделенной толщиной изображена почти на всех фиг. 1-13, включает такие же геометрические параметры зацепления, что и шестерни 22, и имеет важный для последующих пояснений - строго расчетную величину диаметра окружности 23 впадин зубьев, являясь условным описывающим диаметром геометрической сетки, на которой по сути базируется построение и типоразмеры всех модулей ДВС,
где с учетом условий построения этой координатной сетки изображено, как соединяется, вращается, приводится в однонаправленное перемещение или в каком направлении движется какой либо поток, которая к тому же включает только возможное взаимное геометрическое местоположение осей вращения валов 11-20 и соотношение размеров модулей, характеризующееся также тем,
что в описывающем диаметре 23 геометрической координатной сетки при рядном расположении центров возможно вписать совместное местоположение только тридцать одного полного круга с равными диаметрами, а в соседних рядах между хордами 1-2, 3-4, 5-6 (фиг. 1-3, 7) возможно вписать совместно только шесть или пять полных круга, причем, одновременно, данные хорды 1-2, 3-4, 5-6 являются прямыми касательными линиями с равноудаленным расположением их от условной оси 0 вращения полого вала 20 отбора мощности,
в том числе и для геометрических центров спаренных модулей, которые находятся на осях форсунок 37, в местах соединения только спаренных втулок цилиндров 35, кроме того точки 7-9 обозначенные на фиг. 1-2, 5-9 являются точками симметрии осей вращения кинетически взаимосвязанных пар валов 11 и 15, 12 и 14, 15 и 17, 13 и 16, 17 и 11, 18 и 19 соответственно, то есть синхронное соосное вращение всех валов одновременно осуществляется в десяти центрах упомянутой выше геометрической координатной сетки,
при этом одновременно участки валов 11, 15 и 17, смонтированные в модулях с рабочим ходом №26-01, -02, -03, -04, -05, -06 оборудованы кривошипами 30 с обоймой игольчатого подшипника, размещенными в расчетных местах на одном радиусе от центра вала, между цилиндрическими боковыми щеками 34, как, впрочем, и участки валов 12, 14, 13, 16, 18, 19 смонтированные в модулях с продолженным расширением №26-01*, -02*, -03*, -04*, -05*, -06* соответственно, и, наконец, заявленный ДВС оборудован модулями синхронизации вращения и отбора мощности валов 11-19 (фиг. 3-4) размещенных между предыдущими видами модулей с возможностью соосного вращения их в подшипниках качения 24, некоторые участки валов 12, 13, 14, 16, 18 и 19 смонтированы как промежуточные с возможностью фиксации их в упорных подшипниках 25 со сферическим кольцом, а местами выполнена возможность фиксации в том числе и полого вала 20 установкой шариков качения 53 (фиг. 3), при этом функцию отбора мощности на полый вал 20 осуществляется с помощью двух прикрепленных и фиксированных от соосных перемещений зубчатых венцов 27, имеющих тонкие перегородки 28, обеспечивающие жесткость конструкции узла, вращение зубчатых венцов 27 взаимосвязано с введением в каждый спаренный модуль между двумя поршнями 26 и 26* цилиндрической формы кулисы 31 полуцилиндрической формы, которая выполнена с образованием двух направляющих лотков, между которыми совершает ограниченные возвратно-поступательные перемещения полусферический формы ползун (на фиг. 4-11 не обозначен), выполненный с возможностью свободно вращаться относительно оси кривошипа 30 при передаче усилий посредством размещения в его теле упомянутой выше обоймы игольчатого подшипника,
причем положение поршня 26* и спаренной с ним кулисы 31 посредством вмонтированной в их тела трубки 32, один конец которой переходит в шток 29, эксцентрично положению спаренного поршня 26 только в модулях с рабочим ходом, соответственно разные и длина штоков 29 переходящих в шаровые соединения (шаровые соединения, как и обоймы игольчатых подшипников на фиг. 4-1 специально не обозначены) так как просто разные величины межцентровых расстояний между валами этих модулей относительно точек 7-9, а вот величина диаметра всех поршней 26 и 26* равны диаметру окружности вершин (выступов) зубьев цилиндрических шестерен 22, а диаметры всех боковых цилиндрических щек 34, между которыми размещается кривошип 30, равны диаметру круга геометрической координатной сетки или расстоянию на котором расположены друг от друга парные хорды 1-2, 3-4, 5-6, где между четными и нечетными точками пересечения вышеперечисленных хорд с окружностью 23 имеют возможность совершать ограниченные возвратно-поступательные перемещения поршни 26 и 26*, причем когда поршни 26 в спаренных модулях с рабочим ходом движутся во втулках цилиндрах 35 навстречу друг другу образуется единая камера сгорания, а в модулях с продолженным расширением - единую полость продолженного расширения,
как вскользь замечено выше, по периметру в тело каждого поршня 26 и 26* безразрывно вмонтированы участки трубки 32, имеющие два колена с углами поворота 90 градусов, а в участок внутри трубки 32, встроенный в донышке этих поршней смонтирована пластинчатая перегородка 36, предназначенная для увеличения устойчивости данного узла при передаче воспринимающих усилий
отличительной особенностью конструкции газопоршневого или дизельного заявленного варианта ДВС является несомненно впрыск топливной смеси из форсунки 37, растянутый по времени относительно угла поворота коленчатого вала, что неплохо для протекания термодинамического цикла,
в единой камере сгорания, вдоль центральных осей 7-9, но размещенные на противоположных краям втулок цилиндра 35 смонтированы по две форсунки (на фиг. 4-5, 11 специально не обозначены): одна из которых смонтирована для впрыска другого компонента сгорания и для быстрого перехода работы ДВС в режим с применением моторного синтетического топлива - диметилового эфира, обеспечивающих экологические нормы Euro3,
в камерах сгораниях, которые образуются при перемещении поршней 26* во втулках цилиндров 35 смонтировано по одной форсунке 37, но при этом сам свод камеры сгорания (так как в модулях с рабочим ходом отсутствует традиционная крышка цилиндров и усовершенствование структурных узлов ДВС идет по пути выбора оптимальной формы выполнения элементов, в том числе с учетом геометрии расположения и соотношения размеров) выполнен из расчетных отрезков спаренных труб 38, между которыми расположено и вмонтировано расчетное рядное количество неполных витков трубки 32,
усовершенствование структурных узлов и элементов заявленного варианта ДВС просматривается и во взаимодействии на потоки выхлопных газов, которые выходят из модулей с рабочим ходом посредством введенных в эти модули профилированных окон 40 выходящих газоходов, а поступают в модули с продолженным расширением только через окна 49,
профиль газоходов, собран сваркой из расчетных участков и частей цилиндрических отводов 33, причем внутри отвода 33 (фиг. 7) смонтирована пластинчатая перегородка 36, входная и выходная кромки которой развернуты относительно друг друга вдоль оси на 180 градусов и которая разделяет поток выхлопных газов на две части, чтобы происходило интенсивное закручивание, перемешивание и выравнивание скоростей потока выхлопных газов в модулях с продолженном расширении, что реально дополняет прирост индикаторной работы и продолжительность действия возникающих при этом усилий,
заметим, что и втулку цилиндров 35 модулей продолженного расширения (фиг. 8) закрывает крышка цилиндров 39, в которой стыкующая часть втулки цилиндров 35 выполнена с ответной спиралеобразной выборкой материала, профиль который тоже имеет возможность формировать закручивание и выравнивание скоростей потока выхлопных газов, которые поступают из профилированных окон 40 выходящих газоходов модулей с рабочим ходом,
также очень важна форма и профиль введенных выпускных окон 40, которые также формируют выходящие потоки выхлопных газов из модулей №26-01, -02, -03, -04, -05 и -06 в газоходы, так как во времени данный момент истечения выхлопных газов при определенных параметрах состояния через выпускные окна 40 происходит обязательно несколько раньше, чем пока поршни 26 изменят свои векторы движения, совершая рабочий ход,
как и прототип, заявленный вариант ДВС снабжен воздуховпускными окнами 41, но при этом очистка рабочего объема от продуктов сгорания предыдущего цикла решается в основном правильным подбором углов опережения открытия или запоздания закрытия относительно точки отсчета смещения и расчетной толщиной (высотой) поршней 26, на фиг. 4-6, 8 воздуховпускные окна 41 изображены по разному, так как подвод воздуха осуществляется из другой точки ближайшего мембранного бака,
заметим, что от параметров формы поршней зависит степень сжатия,
а вот в отличие от прототипа спаренные модули с рабочим ходом оборудованы воздушной помпой 44 с манжетным уплотнением 48 цилиндров и двумя разными воздухораспределительными узлами 43 и 46 в комплекте с баком, где размещена баллонная мембрана 45, причем узлы 43 и 46 - это многофункциональные узлы, которые включают возможность воздухообмена с некоторым избыточным давлением и использованием внутрикартерной полости ДВС посредством расположенных во втулках цилиндрах 35 продувочных окон 47, которые непосредственно соединены со стояком, куда врезаны неполные витки трубок 32, где они помимо воздухораспределительных выполняют соединительные, а также теплообменные функции воздухообмена,
часть структурных узлов данной комплектации приводится в движение непосредственно от продолжений участков трубки 32, а количественные объемы этих узлов сопряжены с их расчетными размерами и параметрами эффективного наддува - это когда масса свежего заряда воздуха поступающего в рабочий объем модулей №26-01, -02, -03, -04, -05, -06 растет за счет увеличения его плотности (в том числе и за счет понижения температуры),
в заявленной компоновке ДВС формы, взаимное расположение элементов и узлов выполнены таким образом, что потоки воздуха формируются не только от вращения лопастей 50, но и с помощью дефлекторов (на фиг. 3 и 13 не показаны), конуса 52 и направляющих внутри кожуха 51 (фиг. 3 и 13), когда подвод воздуха для взаимодействия с поверхностью этих элементов ДВС, охлаждает ее, и одновременно направляя уже несколько нагретый воздушный поток в расширенный патрубок сборного выпускного коллектора,
сборный выпускной коллектор на фиг. 3 и 13 также не изображен, но выполнен профилированного типа с эжекцией, в критическом сечении которого при движении сформированного потока воздуха создается сильное разряжение, а так как в эту зону разряжения врезаны выпускные патрубки от выпускных окон 42 на втулках цилиндров 35 модулей с продолженным расширением и способствуют более интенсивному и качественному газообмену,
и как пример (фиг. 12), окончательно выходные из ДВС сформированные потоки воздуха и выхлопных газов поступают в пространство с гибким ограждением, называемое воздушной подушкой 54, создавая среду усиления эффективных и перспективных решений при сборке данного варианта ДВС в составе промышленно применяемой установки передвигающей по воде.
Кстати, вышеприведенные поршни 26 и 26* и втулки цилиндров 35 модулей могут быть выполнены с той же полуцилиндрической формой профиля и плоскими боковыми поверхностями, как и кулиса 31, где межмодульные перегородки (на фиг. 4-10 не показаны) оптимально могут быть выполнены из расчетного числа слоев (подобно фанере) сопряженных и закрепленных между собой пластин из облегченных композитных материалов, керамики, термостойких волокон с возможностью использования промышленного перспективного подхода к созданию ДВС, где реально осуществляется количественный подбор разных модулей с комплектацией их из числа деталей и узлов одного типоразмера, обеспечивается полезная новая взаимосвязь, как в данном варианте ДВС, так и в составе комбинированной промышленно применимого устройства 56, которое включает не только установку горизонтального направленного бурения (УГНБ), но и летающий дрон 55.
Нетрудно заметить, что все конструктивные решения в заявленном варианте объединены идентичностью параметров, составляющих элементов и узлов ДВС, характеризуются применением в формате листа А4 одного единого типоразмера - таких как диаметр поршней 26 и 26*, размер диаметра втулок цилиндров 35, элементов кулисы31, шестерен зацепления 22, полого вала 20 с его внутренним диаметром, причем эта взаимосвязь прослеживается и при рабочем ходе поршней 26 и 26*, и в перемещениях в воздушной помпе 44, и в воздухораспределительных узлах 43 и 46, при этом другой типоразмер возможен только через цифровое масштабирование, что во многом упрощает решение перспективных технических задач по нахождению перспективной линии ДВС.
И еще надо отметить, что при комплектации блоков количественное число допустим модулей с продолженным расширением зависит исключительно из параметров расчета, а модулей синхронизации от примененной схемы отбора мощности - и это тоже важный фактор, и далеко не последний в пользу решаемой технической задачи при конструировании данного варианта ДВС.
Вышеприведенные признаки раскрытия сущности при конструировании заявленного варианта ДВС легко поясняются приложенными на фиг. 1-13 чертежами с конкретным местоположением элементов ДВС при сборке.
Именно больше для упрощения пояснений взаимодействий деталей и введенных элементов, входящих в послойный разрез, а также для краткого описания взаимосвязи и последовательности их местоположения при сборке оправданно предопределило введение понятия - группа модулей и их дальнейшую маркировку. Введение понятия модуль определяется устойчивой совокупностью похожих свойств, которые диктуются при конструировании и позволяющих обеспечить необходимую мощность ДВС.
Заметим, что для удобства восприятия на всех фиг. 1-13 маркировка не только валов 11-20, но и других элементов остается неизменной, хотя часть торцевых и боковых мест стыковки или мест крепления некоторых частей изображены на фиг. 1-13 упрощенно. Также как не найдете в этом кратком описание пояснений относительно технологических выборок (карманов), внутренних полостей для размещения там узлов крепления, воздуховодов, детали крепления постелей подшипников и валов вращения 11-20.
А вот зазоры в местах перемещения и вращения узлов или элементов данного варианта ДВС на данных фигурах местами как-бы отсутствуют или сознательно увеличены, но при этом везде четко сохраняется межосевое расстояние и взаимное местоположение центров валов 11-20 друг от друга, что придает конструкции ДВС оптимальную технологичность при сборке.
На фиг. 1 изображена координатная геометрическая сетка осей валов и расположения моделей с рабочим ходом №26-01 и -02, как и модулей с продолженным расширением №26-01* и -02 с выделением профиля и размеров шестерен зацепления 22 и симметрии местоположения пары валов 12-14 и 11-15 относительно точки 7.
На фиг. 2 и 3 изображено расположение промежуточного модуля синхронизации и отбора мощности к примеру между модулями №26-02 и №26-02* с шестернями зацепления 22.
На фиг. 4 изображена часть координатной геометрической сетки осей валов и как в нее соосно встраивается местоположение модуля с рабочим ходом №26-02.
На фиг. 5 уже изображено соосное спаренное местоположение модулей с рабочим ходом №26-01 с частью модуля №26-02, где сознательно изображено положение кривошипов 30, свидетельствующих о том, что в единой камере сгорания с точкой 7 к этому моменту произошло сжатие воздуха, впрыск топлива с помощью форсунки 37, начинается объемное самовоспламенение, а местами предпламенное горение горючей смеси, еще немного и как только завершиться быстрый выход из «зоны мертвых углов», где возникающие усилия не все преобразуются в механическую работу вращения валов, тогда начинается рабочий ход и направление возникающих усилий будет условно соответствовать стрелке в районе точек 2-3 на фиг. 1.
На фиг. 6 изображено соосное спаренное местоположение модулей с рабочим ходом №26-03 с частью модуля №26-04 к этому моменту от единой камеры сгорания с центральной точкой 8 поршни 26 прошли уже половину рабочего хода, один из поршней 26 своим телом уже почти полностью открыл профиль окна 40 цилиндрической формы газохода, выполненный из сочлененных нескольких частей отводов 33, и выхлопные газы через окно 49 поступают в полость продолженного расширения (тоже с точкой 8 в центре - так как на одной оси) спаренных модулей №26-03* и -04*.
Причем внутри газохода, который смонтирован из нескольких частей поворотных отводов 33 (фиг. 7), смонтирована пластинчатая перегородка 36, входная и выходная кромки которой развернуты относительно друг друга вдоль оси на 180 градусов и которая разделяет поток выхлопных газов на две части, чтобы происходило интенсивное закручивание, перемешивание и выравнивание скоростей потока выхлопных газов при продолженном расширении, что реально дополняет прирост индикаторной работы и продолжительность действия возникающих однонаправленных усилий.
На фиг. 8 как описано чуть выше, изображен момент, когда происходит продолженное расширение выхлопных газов, поступивших из модулей с рабочим ходом №26-03 и -04 через впускное окно 49, которое расположено на втулках цилиндров 35 модулей №26-03*, -04*, причем строго в трех местах (фиг. 8) с плавным переходом в совместную проточку, сделанную как во втулке цилиндров 35, так и в съемной крышке 39. Похожие процессы, когда их кривошипы 30 в этот момент будут находиться в идентичных позициях, происходят и в других блоках модулей соответственно, поэтому изображение их спаренных модулей продолженного расширения представлять нет смысла.
На фиг. 9 и 10 сделана условная попытка изобразить, наглядно показать или зрительно пояснить сущность конструирования заявленного варианта ДВС с нанесением векторов направленных усилий, которые реально имеют место быть в определенный отрезок времени, причем одновременно, а если точнее - на фиг. 9 и 10 изображен всего лишь фрагмент, миг процесса, которые происходит одновременно уже описаны на предыдущих фиг. 4 и 8 и по сути представляют процесс сложения крутящих моментов, причем в более большем диапазоне действия однонаправленных усилий. Вышеописанное не условно, а реально «привязано» к положениям кривошипов 30 и происходит в секторе, когда полый вал 20 названного варианта повернулся на угловую величину, которая меньше четверти одного оборота ДВС, а впереди еще три подобных момента и только тогда завершится один оборот двигателя.
Если условно считать, что при рабочем ходе поршней 26 суммирующий эффект в данном угловом секторе, изображенный на фиг. 8 и 9 описан и равен какой-то условной величине, а до завершения одного оборота ДВС произойдет еще два идентичных таких же процесса - значит в целом за один оборот эффект суммирования увеличится как минимум примерно еще в три раза или достигнет трех условных величин.
Но заметим, что еще остались совсем не описаны подобные процессы, которые происходят одновременно в камерах сгорания с поршнями 26* и соответствующих полостях модулей продолженного расширения за период этого же полного оборота. Так как диаметр поршней 26 и 26* одинаков, количество последних тоже шесть, поэтому правомерно итоговую величину суммирующего эффекта за один оборот заявленного варианта ДВС оценить в девять условных величин от величины суммирующего крутящего момента, который кратко описан и изображен на фиг. 8 и 9.
Если количество модулей продолженного расширения в блоке требуемое для эффективного продолженного расширения согласно расчета будет в два раза больше, то и условная величина суммирующего крутящего момента будет тоже на эту условную величину больше так как активная площадь рабочих органов ДВС будет большей - это понятно, и при этом не требуется в заявленном варианте ДВС производить какие-либо значительные изменения. Если как-то найти аналогичный пример, то это подобно установке парусов дополнительных при попутном потоке ветра, чтобы реально усилить тягу и скорость для движения парусника. Главный импульс - это перепад давлений.
Да, и расчеты, и практика много раз показала, что полное расширение рабочего тела до того момента, когда при рабочем ходе ДВС изменяется вектор движения кривошипа 30, не дает того прироста индикаторной работы ДВС, который может быть обеспечен только за счет интенсивного и качественного газообмена, а также от хорошо отлаженного продолженного расширения, которое произойдет еще до того, когда поршни 26 или 26* 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, полезную взаимосвязь узлов ДВС.
На фиг. 11 изображен момент, когда в единой камере сгорания спаренного модуля №26-05 и 06 происходит петлевая продувка втулки цилиндров 35 от остатков продуктов сгорания и как только телом поршней 26 сначала закроются воздуховпускные окна 41 и 47, затем тоже профилированное окно 40 газохода и начнется несколько укороченный процесс сжатия, который в итоге завершится устойчивым воспламенением топливно-воздушной смеси и разделенным процессом расширения, гарантируя при этом качественный газообмен, который исключает проблемное сжатие, когда возможно максимально сохранить отлаженную термодинамику проходящих в ДВС процессов.