Двигатель внутреннего сгорания "НОРМАС". Вариант - hopmac 007

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* 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, чтобы при этом обеспечивалась максимально индикаторная работа, когда возможно максимально сохранить отлаженную термодинамику проходящих в ДВС процессов.
В основу конструирования в предыдущих вариантах ДВС «НОРМАС» с приоритетом, начиная от 25.10.2011 г., как и в заявленном варианте ДВС поставлена техническая задача повышения его эффективности, когда не только введение новых элементов в конструкцию, но и создание новых взаимосвязей между существующими элементами конструкции обеспечивают полезную многофункциональность. Задачей, на решение которой направлено технически грамотное конструирование заявленного варианта ДВС, являются, как правило, критерии - максимально возможная расчетная активная площадь рабочих органов и введенных элементов продолженного расширения, сгорание при уменьшении удельного расхода топлива, рост индикаторного КПД, прирост величины индикаторной работы, надежность при небольшом весе конструкции, технологическая простота сборки и компактность конструкции.
Поставленная техническая 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, когда создаются дополнительные однонаправленные усилия от продолженного расширения выхлопных газов на более большую активную площадь введенных элементов ДВС, чем активная площадь самих рабочих органов.
Расчеты и практика много раз показала, что полное расширение рабочего тела до того момента, когда при рабочем ходе ДВС изменяется вектор движения кривошипа 35, 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 изменится этот вектор движения.
Да и согласитесь, что начальное движение свободного от связей поршня первично обеспечивается исключительно взрывным импульсом воспламенения горючей смеси и 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 и конструктивное единство ДВС.
Известно, что в тепловых двигателях преобразующих давление от продуктов сгорания в механическую работу невозможно достичь максимальный крутящий момент, не обеспечивая постоянное увеличение активной площади движущих элементов двигателя, воспринимающих однонаправленное давление от продуктов сгорания. 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 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. 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 плечо их приложения, который создают рабочие органы ДВС. В нашем случае крутящий момент создается не только в период действия результирующей силы во время рабочего хода, но и до изменения вектора направленности движения кривошипа 35 в элементах ДВС, один из которых является введенная кулиса 38 полуцилиндрической формы.
Отличительной особенностью конструкции газопоршневого или дизельного заявленного варианта ДВС является и впрыск топливной смеси из форсунки, растянутый по времени относительно угла поворота коленчатого вала, что тоже неплохо для протекания термодинамического процесса в этом случае.
Грамотное конструирование данного варианта ДВС направлено на то, чтобы за один оборот двигателя, когда в одной из втулок цилиндров 31 поршень 32 начал совершать рабочий ход (фиг. 5), то одновременно в другом цилиндре 31 другой поршень 32 (фиг. 7), который уже прошел часть рабочего хода открывает свои окна выпуска 28 и выхлопные газы из этой втулки цилиндров 31 поступают уже в полость продолженного расширения, которая образуется при расчетном приближении к корпусу 23 кулисой 38 (фиг. 8).
Технической задачей, на решение которой направлено конструктивное выполнение заявленного варианта двухтактного ДВС, включающего элементы общего корпуса 23, при этом его сборная конструкция смонтирована так, что парные взаимосвязанные между собой группы модулей расположены в центральной части ДВС (фиг. 2-8), закреплены в разных параллельных плоскостях с расположенными по бокам элементами синхронизирующих модулей, кстати, в заднем синхронизирующем модуле встроена объединяющая шестерня 43 (фиг. 10) с зубьями внутреннего зацепления (эпицикл),
и все модули выполнены с возможностью кинематически взаимодействовать между собой как во время каждого рабочего хода поршней 32 (фиг. 5) цилиндрической формы, так и во время продолженного расширения, то есть еще до изменения вектора направленности движения и при рабочем ходе другого соответствующего кривошипа 35 в соответствующей втулке цилиндров 31 (фиг. 7-8) - т.е. за период 1 оборота ДВС,
сама же полость продолженного расширения образуется при расчетном приближении к корпусу 23 кулисы 38 полуцилиндрической формы, выполненную из профилированных и связанных между собой пластин, в прямолинейных прорезях 37 которой выполнена возможность совершать ограниченные возвратно-поступательные перемещения ползуны 36, имеющие сквозное центральное отверстие для свободного вращения там кривошипа 35, причем ось перемещения каждой кулисы 38 совпадает с одним из трех местоположений парных параллельных прямых линий (хорд) на фиг. 1, когда расстояние между только четными или только нечетными точками пересечения данных хорд одной окружности равно одинаковой величине, и когда каждая данная хорда одновременно является и касательной прямой линией к трем из четырех вписанных в эту окружность кругов одинакового диаметра, а величина данного диаметра является единственной, от которой идет расчет всех остальных соотношений параметров зацепления и равна расчетному геометрическому размеру окружности впадин зубьев цилиндрической формы трех шестерен 16, являющихся элементами заднего синхронизирующего модуля, а с четырьмя шестернями 16 - переднего синхронизирующего модуля ДВС, в центре которого соосно смонтирован четвертый полый вал 21, на котором размещены обод 44 с закрепленными лопастями 45 системы воздуховодов наддува и охлаждения ДВС, распределительные заслонки 41 центрального воздуховода 26 наддува со встроенными в них лопастями (на фиг. 3, 5, 7 не обозначены),
и наконец, все геометрическое расположение вышеописанного местоположения окружностей четырех кругов, вписано в равнобедренный треугольник, и еще, что важно - геометрическое расстояние между центрами трех кривошипов 35, в том числе и при вращении трех соответствующих валов 18-20 равно одной величине.
Кстати, вышеприведенные поршни 32 и втулки цилиндра 31 модулей могут быть выполнены с той же полуцилиндрической формой профиля и плоскими боковыми поверхностями, как и кулиса 38, тогда шатуны 34 предусмотрительно выполнены из Z-образного с перфорированной поверхностью профиля, соразмерного с толщиной поршней 32 для выполнения возможности устойчивого перемещения элементов КШМ.
Вышеприведенные признаки раскрытия сущности при конструировании заявленного варианта ДВС легко поясняются приложенными на фиг. 1-11 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.
А если говорить коротко, то заявленный вариант ДВС представляет собой кинематически взаимосвязанное полезное устройство, обеспечивающее передачу как основной, так и дополнительной величины крутящего момента от расширения выхлопных газов и за счет улучшения условий газообмена посредством размещенных в нем введенных модулей и элементов устройств.
Раскрытие сущности конструкции заявленного варианта ДВС основано на том, что энергия сгорания топливно-воздушной смеси максимально эффективно преобразуется во вращение выходных валов 18-20 с тенденцией увеличения активной площади рабочих органов ДВС путем введения дополнительных активных площадей кулис 38, если как-то попробовать найти аналогичный пример, то это подобно установке дополнительных парусов при попутном потоке ветра, чтобы реально усилить тягу и скорость для движения парусника.
Заметим, что для удобства восприятия на всех фиг. 1-11 маркировка не только валов 18-21, но и других элементов остается неизменной, хотя в существующих «осевых разрывах» этих валов находятся элементы КШМ коленчатого вала ДВС - в данном случае это кривошип 35, шатун 34 и его две соответствующие боковые щеки (на фиг. 2-10 не обозначены).
Не найдете в этом кратком описание пояснений относительно технологических выборок (карманов), внутренних полостей для размещения там узлов крепления, воздуховодов 26, постелей крепления подшипников и валов вращения 18-21. Хотя часть торцевых и боковых мест стыковки или мест крепления некоторых частей корпуса 23 изображены на фиг. 1-11 упрощенно.
А вот зазоры в местах перемещения и вращения деталей или элементов данного варианта ДВС на данных фигурах как бы отсутствуют или как на фиг. 2-10 сознательно увеличены, но при этом везде четко сохраняется межосевое расстояние между элементами корпуса 23 и взаимное одинаковое местоположение центров валов 18-21 друг от друга, что придает заявленному варианту конструкции ДВС оптимальную технологичность при сборке.
Межмодульные плоские перегородки (на фиг. 2-10 не показаны) выполнены из расчетного числа слоев (подобно фанере) собраны в основном из участков с перфорированной поверхностью, сопряженных и закрепленных между собой пластин из облегченных композитных материалов, керамики, термостойких волокон со встроенными в нее, к примеру, перепускными воздуховодами 26 любой формы с изгибами и технологическими выборками, полостями для размещения там узлов крепления воздуховодов 26, каналов и постелей крепления подшипников валов вращения 18-21 (на фиг. 2-10 тоже не показаны).
Все вышеперечисленное и описанное ниже базируется на очень конкретном местоположении и геометрическом расположении координат вращения валов 18-21, кривошипов 35, а также связано с направлением перемещения одной из элементов ДВС - кулисы 38. На фиг. 1 отчетливо видно, что парные прямые линии (хорды) с точками 1-8 и 2-7 параллельны, как и хорды с точками 3-10 и 4-9 или как 5-12 и 6-11 соответственной совпадают с одним из трех направлений перемещения соответствующей кулисы 38. При конструировании этого варианта ДВС предусмотрено, что ось перемещения каждой кулисы 38 совпадает с одним из трех местоположений парных параллельных прямых линий (хорд) изображенных на фиг. 1, когда расстояние между только четными или только нечетными точками пересечения данных хорд одной окружности равно одной величине, и когда каждая данная хорда одновременно является и касательной прямой линией к трем из четырех вписанных в эту окружность кругов одинакового диаметра, в свою очередь, величина данного диаметра является единственной, от которой идет расчет всех остальных соотношений параметров зацепления и равна расчетному геометрическому размеру окружности впадин (ножек) зубьев цилиндрической формы шестерен 16, имеющих тоже одинаковые геометрические профили зацепления и которые (шестерни 16 и втулки 17) являются составными элементами синхронизирующих модулей ДВС.
Передний синхронизирующий модуль заявленного варианта ДВС 007-01 (фиг. 2, 9, 11) состоит из четырех одинаковых шестерен 16, а задний (фиг. 10, 11) синхронизирующий модуль 007-01* из трех одинаковых шестерен 16.
Причем от переднего синхронизирующего модуля осуществляется и синхронное вращение четвертого полого с перфорированной поверхностью вала 21, где соосно закреплены обод 44 с закрепленными лопастями 45, распределительные заслонки 41 со встроенными в них лопастями (на фиг. 3, 5, 7 не обозначены), чтобы увеличить движение большего объема воздуха по центральному воздуховоду 26.
И наконец, все геометрическое расположение на фиг. 1 вышеописанного местоположения окружностей четырех кругов, центрами вращения которых являются и валы 18-21, вписано в равнобедренный треугольник с вершинами в точках 13-15, при этом еще три хорды, которые образуются в той же описанной окружности (с точками пересечения 1-12) тоже равны между собой.
И еще, повторюсь, расстояние между центрами трех кривошипов 35 (фиг. 1-10), в том числе и при вращении валов 18-20 равно одной величине.
Кстати, вышеприведенные поршни 32 и втулка цилиндра 31 модулей могут быть выполнены с той же полуцилиндрической формой профиля и плоскими боковыми поверхностями как и кулиса 38, тогда шатуны 34 предусмотрительно выполнены из Z-образного с перфорированной поверхностью профиля, соразмерного с толщиной поршней 32, чтобы при подвижном сочленении его с шаровым шарниром 33 и кривошипом 35 для выполнения возможности устойчивого перемещения элементов КШМ.
Заметим, что на фиг. 2-10 по сути показано, как одновременно за один оборот ДВС примерно в один период времени происходит суммирование крутящего момента именно от трех точек приложения усилий, расположенных именно в этих местах приложения и с той направленностью (фиг. 1), и никак иначе.
Для удобства понимания начнем с описания местоположения элементов и деталей парных модулей 007-04 и 007-05 изображенным на фиг. 5-6, где по расположению поршня 32 видно, что к этому моменту произошло сжатие воздуха, впрыск топлива с помощью форсунки 29, начинается объемное самовоспламенение, а местами предпламенное горение горючей смеси, еще немного и как только завершиться быстрый выход КШМ из «зоны мертвых углов», где возникающие усилия не все преобразуются в механическую работу вращения валов 18-20, тогда начинается рабочий ход, и направление возникающих усилий будет условно соответствовать стрелке в районе точек 2-3 на фиг. 1. А чтобы обеспечить параметры объемного самовозгорания в заявленном варианте ДВС предусмотрена ручная корректировка возможного диапазона изменения степени сжатия установкой необходимой толщины прокладки под крышку 30 или изменении длины самой втулки цилиндров 31. Еще на фиг. 5 видим, что окно выпуска 28 выхлопных газов, кстати, которые на фиг 2-8 нанесено немного упрощенно, закрыто телом поршня 32. Почти та же самая картина и в модуле 007-05, когда кулиса 38, выполненная из профилированных и связанных между собой пластин, в прямолинейных прорезях которой совершает ограниченные возвратно-поступательные перемещения ползуны 36, каждый из которых имеет сквозное центральное отверстие для свободного вращения там кривошипа 35, еще немного не дошла до минимально допустимого расстояния до элементов корпуса 23, чтобы через какое-то время начать удалятся от элементов корпуса 23, образуя полость продолженного расширения.
А вот процесс, который предшествует предыдущему, изображен на фиг. 3-4, где видно, что в этот же отрезок времени в модуле 007-02 закончилась продувка втулки цилиндров 31 от выхлопных газов, когда телом поршня 32 сначала закрылись окна продувки 24 и втулка цилиндров 31 наполнилась свежей порцией воздуха с избыточным давлением (наддув), а затем и окно выпуска 28, чтобы начался процесс сжатия - именно этот момент и происходит на фиг. 3. А когда оцениваем, что происходило в этот период времени в парном модуле 007-03, то видим, что там до этого происходили процессы помогающие кулисе 38 под избыточным давлением от части продувки переместиться в крайнее, наиболее удаленное, положение от элементов корпуса 23, чтобы открылось окно 39 и весь объем выхлопных газов и этой части продувки поступил в полость 22, которая через систему обратных клапанов (на фиг. 1-11 не показано) соединяется с объемом воздушной подушки 46.
Кстати, с системой обратных клапанов связаны и каналы, идущие от окон выпуска 28 и 29 выхлопных газов и части продувки, которые повторяюсь на фиг. 2-8 нанесено немного упрощенно, т.к. предусматривают только визуальное открытие или закрытие их, без какого - либо наличия технологических профильных выборок в теле поршней 32 или кулисы 38, а также на сопряженных участках втулок цилиндров 31 или направляющих 42. Поэтому, когда кулиса 38 с пружинной пластиной 40 начинает перемещаться вдоль направляющих 42 в сторону сближения с элементами корпуса 23, то из-за разности давлений происходит открытие этих каналов и дополнительное освобождение этого пространства (объема) от остатков выхлопных газов.
И наконец, рассмотрим процессы, которые изображены на фиг. 7 и 8 и происходят в тот же вышеописанный период времени, когда легко представить, что он начался только после процессов, которые изображены на фиг. 5-6 - то есть на фиг. 7-8 изображено, когда уже какое - то условное время происходит истечение выхлопных газов при определенных параметрах состояния через окно выпуска 28 в модуле 007-06, и которые поступают в модуль 007-07, где происходит их продолженное расширение. Выхлопные газы расширяясь увеличиваются в объеме так, чтобы создавать направленное дополнительное усилие на расчетную активную площадь кулисы 38, а затем через ограниченные возвратно - поступательные перемещения ползунов 36, которые имеет сквозное центральное отверстие для свободного вращения там кривошипов 35, суммировать дополнительный крутящий момент на валы 19, 20 водном направлении, которое условно изображено на фиг. 1, но уже именно двумя стрелками в районе точек 8 и 11, что и требовалось технической задачей.
Оценив вышеизложенное, еще раз заметим, что последующее продолженное расширение выхлопных газов происходят до изменения вектора направленности движения кривошипа 35 при рабочем ходе и почти одновременно с рабочим ходом в другой втулке цилиндров 31, (т.е. в период условно 1 оборота ДВС) и то, что расстояние между центрами трех кривошипов 35 (фиг. 1-10), в том числе и при вращении валов 18-20 ДВС - всегда одна величина.
ДВС снабжен воздуховпускными и газовыпускными органами, а также возможностью подбора углов опережения открытия или запоздания закрытия относительно единого отсчета смещения в расположении кривошипов 35 и распределительных заслонок 41 для более «мягкой» работы. А чтобы сгладить негативные моменты от приложения максимальных усилий после воспламенения горючей смеси и обеспечить сбалансированную и без задиров работу ДВС поршни 32 снабжены шаровыми шарнирами 33, уменьшающие боковые реакции на стенки втулок цилиндров 31 от этих усилий.
Система обратных клапанов присутствует и на воздуховодах 26 наддува. Хотя на фиг. 1-11 она показана частично и ограничивается изображением немного условным расположением обратных клапанов 27 (перепад давлений) и распределительных заслонок 41 воздуховодов 26 со встроенными в них лопастями (на фиг. 3, 5, 7 не обозначены), чтобы улучшить прохождение большего объема воздуха по центральному воздуховоду 26, куда неслучайно тыльная сторона профиля кулисы 38 сжимает поступившую порцию свежего воздуха, чтобы в последствии часть этого сжатого объема через впускное окна 25 при открытой заслонке 41 центрального воздуховода 26 наддува поступила во внутрикартерную полость ДВС с некоторым избыточным давлением, а при рабочем ходе поршня 32 еще немного повысила избыточное давление и была использована для качественной продувки втулки цилиндров 31 от продуктов предыдущего сгорания.
Основное предназначение наддува - это увеличение мощности, когда масса свежего заряда воздуха, поступающего в рабочий объем ДВС растет за счет увеличения его плотности (т.е. неплохо бы еще охладить этот свежий заряд предварительно, что и предусмотрено воздушной системой охлаждения ДВС, хотя и не указано на фиг. 2-10) и улучшения газообмена, а вот у прототипа данного позиционирования нет.
Заметим также, что от потока воздуха, который создается лопатками 45 и при движении не только создается избыточное давление воздуха в системе воздуховодов 26, но и происходит некоторое приращение крутящего момента на ободе 44, который, в свою очередь, снабжен этими лопатками 45, а также соединен с четвертой шестерней 16 синхронизирующего модуля 007-01. И это тоже важный фактор и далеко не последний в пользу решаемой технической задачи при конструировании данного варианта ДВС.
Введение синхронизирующих 007-01 (фиг. 2) и 007-01* (фиг. 10) модулей с учетом конкретного геометрического местоположения узлов компоновки заявленного варианта ДВС (фиг. 11) - пожалуй, наиболее необходимый и оправданный механизм передачи однонаправленных движущих усилий при равномерном вращении одной шестерни с зубьями внутреннего зацепления 43, когда именно на данном максимальном радиусе (почти как у маховика) от единой осевой линии с точками 0 (фиг. 1) происходит максимально эффективное суммирование крутящего момента и смягчение жесткого импульса выхода элементов ДВС из сектора «мертвых» углов поршней 32 и это главная сущность конструирования и технический результат, который реализуется при встраивании заявленного варианта ДВС в промышленно применяемое устройство. Кстати, заметим, что объединяющая шестерня 43 с внутренним зацеплением (эпицикл) идеально подходит, чтобы на ее обод были смонтированы лопатки 45, но с противоположным направлением (углом) установки в отличие от сделанного на обода 44, т.к. они вращаются в разных направлениях, а обеспечивают одну направленность проходящего через ДВС потока воздуха, чтобы еще улучшить, вопросы наддува, охлаждения и отвода тепла, а тем самым напрямую увеличить работоспособность ДВС.
Вот скорее поэтому, данное краткое описание заявленного варианта ДВС было бы просто неполным, а степень оценки полезного применения просто бессмысленным, если не видно хоть малейшей перспективы его промышленно применимого использования.
Тем более, как отмечалось выше, именно весь объем выхлопных газов и части продувки поступает в полость 22, которая через систему обратных клапанов (на фиг. 1-11 не показано) соединяется с объемом воздушной подушки 46 (фиг. 11) и эта конструктивная направленность тоже не последняя, когда обеспечивается полезная взаимосвязь заявленного варианта ДВС, например, в составе этого перспективного промышленно применяемого устройства потребления и не только.
На основании вышеизложенного на фиг. 11 сделана попытка изобразить наиболее перспективное направление встраивания названного варианта ДВС с данной последовательностью комплектации модулей в составе обтекаемых конструкций передвигающего по воде беспилотного аппарата (БПА) на воздушной подушке 46, при этом обеспечивается наиболее полная новая функциональная взаимосвязь и конструкторского замысла, когда в целом значительно упрощается компоновка, взаимозаменяемость элементов, улучшаются вопросы наддува, охлаждения и отвода тепла от ДВС.
Хотя легко видны и новые взаимосвязи данного ДВС, смонтированного в составе другого перспективного промышленно применимого устройства потребления и не только.