ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ "Нормас - МХ-37"

Полезная модель относится к энергомашиностроению, в частности к объемному двигателю внутреннего сгорания (ДВС), оснащенному устройствами, которые улучшают преобразование тепловой энергии и может быть использован в качестве стационарной (наиболее подходит в применении, как низкооборотные главные судовые двигатели) или транспортной силовой установки, а при наличии встроенной обмотки в районе движущихся частей двигателя является и источником электрической энергии т.е. - генератором, а при определенных небольших изменениях в конструкции возможен перевод его работы в режим компрессора - устройства для создания избыточного давления рабочего тела или детандера - устройства для редукции давления рабочего тела и попутного получения мощности на выходном валу.
Уровень техники.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявленному ДВС, то есть прототипом, является двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере одну пару цилиндров с возвратно-поступательно движущимися поршнями и головку, в которой размещен один, периодически сообщающийся с цилиндрами, газораспределительный цилиндрический золотник, снабженный общей для обоих цилиндров камерой сгорания и кинематически связанный с валом отбора мощности при этом для обеспечения продолженного расширения продуктов сгорания, цилиндры выполнены разного объема, причем цилиндр меньшего объема снабжен воздуховпускными органами, а цилиндр большего объема - газовыпускными, и кривошип коленчатого вала цилиндра меньшего объема смещен в сторону опережения по ходу вращения коленчатого вала на 9-72* относительно кривошипа цилиндра большего объема (авт. свид. СССР №828780, кл. F02B 41/02, опубл. 07.04.82 г. бюллетень №13).
Недостатками выбранного прототипа являются то, что при удаленном расположении камеры сгорания и полости продолженного расширения любого ротора не позволяет полностью, наиболее направленно реализовать преимущества, которые связаны с использованием ДВС с разделенным термодинамическим циклом, а также и то, что в них не происходит улучшения процессов сгорания и повышения крутящего момента без увеличения рабочего объема, а если и происходит, то по весьма малоэффективному пути - за счет увеличения частоты вращения вала, или с применением дорогостоящих редукторов, а не за счет прямого увеличения крутящего момента после каждого рабочего цикла, как в заявленной конструкции ДВС.
Близкий аналог конструкции применяемого ротора - это самый эффектный, самый древний и самый простой тип роторного нагнетателя известный человечеству как нагнетатель Roots, запатентованный братьями Филандером и Фрэнсисом Руте еще в далеком 1860 году, прототип которого легко усматривается и в патенте нагнетателя собственного производства немецкого инженера Геттлиб Даймлера, что в 1900 году был установлен на серийном автомобиле Daimler-Benz. Очень похожие конструкции нагнетателя Roots просматривается и в уже современном ротационном счетчике газа марки РТК-Ex с двухлопастными роторами, а также и в роторном компрессоре, объемных нагнетателях, вакуум-насосах, механических насосах серии ДВН или как их часто за рубежом называют - насосы Рутса. Суть работы нагнетателей состоит в следующем: внутри корпуса, составленного из двух полуцилиндров, вращаются в противоположных направлениях два двухлопастных ротора и «засасывают» воздух или другой компонент через входное отверстие, одновременно проталкивая эти потоки в так называемый отсек распределительный, обеспечивая при этом высокую производительность насоса, причем при этом между корпусом и лопастями выдерживаются минимальные зазоры и почти полностью отсутствует трение.
В качестве близкого аналога, применяемого в заявленной полезной модели ДВС - ротора с вертикальным валом, первый вариант открытого исполнения - размещен в центре камеры сгорания, а второй вариант уже закрытого исполнения - расположен вертикально по центру над коническим дифференциалом. Оба варианта исполнения соединены с вертикальными приводами вращения от сателлита конического дифференциала, где наиболее уместно применение схемы расположения профилей из двух лопастей роторной турбины системы Угринского К.А. с вертикальным валом, но с усиленной (утолщенной) конструкцией профиля лопастей и с односторонним креплением вертикальных валов - приводов по обе стороны от сателлита конического дифференциала.
Раскрытие полезной модели.
Конструкция заявленного двигателя основана на том, что энергия сгорания завихренной топливной смеси в общей для всех семи цилиндров камере сгорания максимально эффективно преобразуется во вращение одного вала отбора мощности. Задачей при разработке и технически грамотном конструировании заявленного ДВС выбраны критерии, которые при увеличенном крутящем моменте на валу отбора мощности обеспечат и лучшую равномерность вращения, надежность, технологическую простоту сборки и компактность конструкции.
Крутящий момент является важнейшим эффективным динамическим показателем и характеризует тяговые возможности двигателя. Он представляет собой произведение многих результирующих сил - среднего эффективного давления сгорания топлива, геометрических величин активной площади рабочего объема, трения, инерции, коэффициента тактности, частоты вращения и т.д., умноженное на радиус их приложения, который создает рабочий орган и передает его на вал отбора мощности. Понятно, что крутящий момент создается не постоянно, а только в период действия этой силы, то есть во время и после рабочего хода, если, конечно, продолжается действие этой силы.
Крутящий момент и мощность двигателя - два разных и порой несовместимых понятия. Мощность достаточно условный параметр, который отображает полезную работу, совершаемую газами при расширении в цилиндрах двигателя в единицу времени за вычетом затрат на преодоление сил трения и приведение в действие вспомогательных механизмов. Если попробовать объяснять совсем просто, то крутящий момент - это то, что на самом деле толкает машину вперед, а мощность - это то, что этот крутящий момент производит.
Чтобы получить увеличенный крутящий момент, необходимо и увеличение активной площади движущих элементов ДВС, воспринимающих попутное давление от расширения выхлопных газов и минимизация неактивной площади газоходов, при этом в двигателе полностью сохраняется отлаженная термодинамика проходящих процессов, а введение эффективных устройств и элементов реализует технический аспект в заявленном ДВС наиболее полно.
В основу полезной модели поставлена техническая задача повышения эффективности работы двигателя, когда не только введение новых элементов в конструкцию, но и создание новых совмещенных связей между существующими элементами конструкции, обеспечивают полезную многофункциональность при протекании термодинамических процессов в ДВС, а также осуществляется более полное удаления продуктов сгорания из цилиндров, причем также после каждого рабочего хода и при ярко выраженной тенденции увеличения активной площади движущих элементов конструкции по ходу движения выхлопных газов.
Поставленная техническая задача предопределило и выбор именно двухтактного ДВС со встречно движущимися поршнями, где усилие, необходимое для получения крутящего момента, создается после каждого второго хода поршня. Известно, что при понижении или повышении оборотов бензиновых ДВС эффективное давлении, а значит и крутящий момент будет всегда уменьшаться из-за ухудшения условий газообмена. Дизель же, как правило, работает в диапазоне средних оборотов коленчатого вала, когда эффективное давление достигает своего максимума - то есть дизельный вариант будет более оптимальным. Отличительной особенностью дизеля является и впрыск топливной смеси, растянутый по времени относительно угла поворота на коленчатом валу, что тоже неплохо.
Решением поставленной технической задачи является ДВС, включающий: общий, но сборный из модулей неподвижный корпус, один вал отбора мощности, кривошипно-шатунные механизмы (КШМ), сочлененные через шаровой шарнир с поршнями, устройство для впуска необходимых компонентов продувки и топливной смеси, при этом ДВС оборудован только одной общей, продолговатой камерой сгорания с двумя боковыми форсунками на все семь разных по форме цилиндра с поршнями, в днище нижнего ряда выполнена сквозная выборка материала - в дальнейшем называемая отверстием, проходное сечение которого при заданном отклонении от вертикального положения шатуна и сквозное отверстие в шаровом шарнире сообщается или перекрывается с конусообразной полостью над внутренним поршнем, размещенного внутри тела данных шатунов и связанного тягами с подпружиненной подвижной опорой с возможностью их ограниченного перемещения и поворота в момент максимального давления в камере сгорания для направленной передачи усилий на коленчатый вал, но с большим плечом приложения, чем величина радиуса кривошипа, одновременно, в центральную часть камеры сгорания введен открытый ротор с вертикальным валом, который вращается от сателлита конического дифференциала, размещенного соосно между элементами КШМ в центре верхнего ряда цилиндров и кинематически соединенного с валом отбора мощности, выпускные окна верхнего ряда, состоящего из четырех цилиндров, попарно соединены окнами перепускных газоходов, встроенных в полости продолженного расширения двух двухлопастных роторов, причем в каждый ротор введены одинаковые по размерам двухлопастные вращающие элементы с внутренними пустотами, выполненные в форме полуцилиндров и имеющие сквозные отверстия в боковой поверхности, обеспечивающие увеличение боковой активной площади роторов, а все вращающие элементы роторов соосно соединены с элементами КШМ верхнего ряда цилиндров двигателя.
ДВС снабжен еще двумя воздуходувками и вторым, но уже закрытым ротором с лопастями и вертикальным валом, который при своем вращении от привода сателлита конического дифференциала обеспечивает суммирование дополнительного крутящего момента, но уже от отходящих выхлопных газов при выходе их из двух двухлопастных роторов, а соседние цилиндры с поршнями, что расположены в центре верхнего ряда выполнены полуцилиндрической формы с плоскими боковыми поверхностями.
Технический результат заключается в более эффективном преобразовании тепловой энергии в механическую работу, за счет реализации конструктивных решений, обеспечения продолженного расширения в роторах, когда происходит увеличение крутящего момента, причем после каждого рабочего цикл, без применения редуктора, имея при этом лучшую равномерность вращения, диапазон экологичности и уровень шума.
Краткое описание чертежей.
На фиг.1-6 представлена кинематическая схема и послойный разрез заявленной конструкции ДВС «НОРМАС-MX-37». С целью упрощения пояснений взаимодействия деталей и элементов, входящих в послойный разрез, а также для описания взаимосвязи и последовательности их соосного расположения при сборке и предопределило введение в данное описание ДВС - модулей с присвоением им маркировки. Введение в описание модулей определяется устойчивой совокупностью похожих свойств, стоящих при конструировании заявленного ДВС и позволило при необходимой выходной мощности и крутящего момента обеспечить оптимальный вариант компоновки на любом современном моторном заводе, сохраняя без особых изменений технологию сборки, инфраструктуру и квалификацию персонала.
Последовательное присоединение и размеры модулей (фиг.5-6) привязаны к осям вращения 27, 28, 29, 31 и расположены в той необходимой соосной последовательности, что обеспечивают конструкции ДВС технологичность при сборке и предопределяют протекание необходимых термодинамических процессов, обеспечивающих достижение технического результата и передачу увеличенного крутящего момента на один вал отбора мощности.
Двигатель включает: общий, но сборный из модулей неподвижный корпус, один вал отбора мощности, кривошипно-шатунные механизмы с шатунами 10, сочлененные через шаровой шарнир 11 с поршнями, устройство для впуска необходимых компонентов продувки и топливной смеси, при этом ДВС оборудован только одной общей продолговатой камерой сгорания с двумя боковыми форсунками 1 на все семь разных по форме цилиндра с поршнями, в днище нижнего ряда выполнено сквозное отверстие 5, проходное сечение которого при отклонении от вертикального положения шатуна 10 и сквозное отверстие в шаровом шарнире 12 сообщается или перекрывается с конусообразной полостью 14 над внутренним поршнем 15, размещенного внутри тела данных шатунов и связанного тягами с подпружиненной подвижной опорой 16 с возможностью их ограниченного перемещения и поворота относительно точки 30 в момент максимального давления в камере сгорания для направленной передачи усилий на коленчатый вал 13, но с большим плечом приложения, чем величина радиуса кривошипа, одновременно, в центральную часть камеры сгорания 26 введен открытый ротор с вертикальным валом, который вращается от сателлита конического дифференциала 19, размещенного соосно между элементами КШМ в центре верхнего ряда цилиндров и кинематически соединенного с валом отбора мощности, выпускные окна верхнего ряда, состоящие из четырех цилиндров, попарно соединены окнами перепускных газоходов, встроенных в полости продолженного расширения двух двухлопастных роторов 8, причем в каждый ротор введены одинаковые по размерам двухлопастные вращающие элементы ротора 8 с внутренними пустотами 9, выполненные в форме полуцилиндров и имеющие сквозные отверстия в боковой поверхности, обеспечивающие увеличение боковой активной площади роторов, а все вращающие элементы роторов соосно соединены с соответствующими элементами КШМ верхнего ряда цилиндров двигателя.
Следует особо оговорить, что модули на фиг.1-6 представлены с условной, а не расчетной толщиной, так как толщина модуля всегда расчетная величина. В данном варианте исполнения двигателя все из семи цилиндров с поршнями, кроме двух, что расположены в центре верхнего ряда, выполнены в традиционной форме - цилиндрической, а два цилиндра с поршнями 6, что расположены в центре верхнего ряда, выполнены полуцилиндрической формы исполнения с плоскими боковыми поверхностями.
Важным в конструкции ДВС, когда достигается увеличенный крутящий момент составляют именно соотношения чисто геометрических параметров, которые вытекают из построения оптимальных точек сопряжения движущих и вращающихся элементов двигателя и соотношение их геометрических величин отображено на фиг.1-6. Очень важным оказалось расположение окон перепускных газоходов 25, которые является центром пересечения встроенных в полости продолженного расширения перепускных газоходов роторов 8 и зоной сопряжении контуров конструкций выхлопных окон 7, что расположены на поршнях 6 и на цилиндрах верхнего ряда.
ДВС оборудован поршнями 4 нижнего ряда цилиндров, в днище которых предусмотрено сквозное отверстие 5, проходное сечение которого при отклонении от вертикального положения шатуна 10 и сквозное отверстие в шаровом шарнире 12 сообщается или перекрывается с конусообразной полостью 14 над внутренним поршнем 15, размещенного внутри тела данных шатунов и соединенного тягами с подпружиненной подвижной опорой 16 с возможностью их ограниченного перемещения и поворота в момент максимального давления в камере сгорания для передачи усилий на коленчатый вал 13, но с большим плечом приложения, чем радиус кривошипа.
Ограниченное перемещение внутреннего поршня 15 обеспечивается и подобранной величиной перемещения пружин, и расчетным соотношением площадей днища внутреннего поршня 15 и общей площадью днищ всех поршней, наличием подпружиненных подвижных тяг 16, которые при максимальном давлении в камере сгорания и реализуют ограниченную величину перемещения внутреннего поршня 15.
Сила давления расширяющихся газов на поршень раскладывается на «полезную» составляющую силу, действующую вдоль шатуна 10, обеспечивающую крутящий момент коленчатому валу, и «вредную», направленную перпендикулярно оси цилиндра. Введение в конструкцию шатунно-поршневых групп шаровых шарниров 11 уменьшает «вредную» составляющую воспринимающих поршнем сил, улучшает равномерность вращения, снижает механические потери на трение, а значит появились условия, когда не очень требуется применение сложной системы смазки.
В заявленном ДВС приложение усилий на коленчатый вал 13 происходит под разными углами, что более эффективно и что непременно влияет на равномерность вращения. Для интенсивного перемешивания и организации полезного завихрения потока выхлопных газов в ДВС введен утолщенный профиль из двух лопастей 2 открытого ротора с вертикальным валом (один из аналогов - роторной турбины системы Угринского К.А.) и центральной перегородкой 3, расположенной в районе центра камеры сгорания 26, который вращается от сателлита конического дифференциала 19 и размещен соосно между соседними поршнями 6 верхнего ряда цилиндров и кинематически соединенного с валом отбора мощности, что обеспечивает увеличение крутящего момента, когда выхлопные газы устремляются из камеры сгорания в полость продолженного расширения ротора 8.
Соосное расположении на фиг.1-6 модулей позволило ввести в ДВС роторную турбину системы Угринского К.А., но уже закрытого ротора с лопастями 21, которые закреплены на хвостовике вертикального вала соосно с лопастями 2 открытого ротора. Выхлопные газы после прохождения через лопасти 21 закрытого ротора поступают в выхлопной патрубок 18.
Заявленный ДВС снабжен еще двумя воздуходувками 24 с приводом вращения от других сателлитов конического дифференциала 19. Воздуходувки 24 в свою очередь соединены с внутрикартерными объемами нижних цилиндров и является своеобразным узлом, где происходит регулирование процесса забора, промежуточное сжатие воздуха, финишируется приготовление, распределение и подача через впускные окна 17 необходимых для этого периода компонентов топливной смеси.
Осуществление полезной модели.
Заявленный ДВС работает по двухтактному циклу, то есть за один оборот коленчатого вала происходит наполнение цилиндра воздухом или горючей смесью, сжатие ее двумя встречно движущимися поршнями, сгорание смеси и последующее ее расширение. Поршни 6 верхних цилиндров одновременно с поршнями 4 нижних цилиндров совершают рабочий ход. А при перемещении поршней 6 вдоль верхних цилиндров контуры выхлопных окон 7, что расположены на поршнях 6 только верхнего ряда цилиндров и на цилиндрах, совпадают с контурами окон перепускных газоходов 25 и начинается попарно выпуск выхлопных газов в полости продолженного расширения роторов 8.
Работа заявленного ДВС осуществляется следующим образом. Начнем с момента, когда четыре поршни 6 верхних цилиндров своим положением продолжают попарно пропускать выхлопные газы через окна перепускных газоходов 25 в встроенную полость продолженного расширение роторов 8, где они дополнительно попутно расширяются, а значит увеличивается крутящий момент, т.к. увеличивается радиус приложения и активная площадь движущих и вращающих элементов (подобно установке дополнительному паруса).
Когда вал отбора мощности 31 поворачивается еще на определенный угол, но при этом положении поршней 6 и верхних цилиндров еще продолжается выпуск выхлопных газов, то через уже открытые впускные окна 17 трех нижних цилиндров начинается прямоточная продувка свежей порцией воздуха всех семи цилиндров, при этом также осуществляется и теплосъем излишнего тепла со стенок цилиндров и деталей шатунно-поршневой группы. Прямоточная продувка - это лучший вариант продувки, при этом воздух, входя через впускные окна 17, движется сплошным потоком по всему сечению цилиндров, лучше вытесняя продукты сгорания предыдущего рабочего цикла. Вращаясь открытый ротор с лопастями 2 улучшает процесс продувки и наполнения цилиндров, при этом повышенное давление продувки (наддув) увеличивает наполняемость цилиндров компонентами топливной смеси, т.е. лучший газообмен также обеспечивает увеличение крутящего момента.
Когда положением поршней 6 верхних цилиндров закрываются окна перепускных газоходов 25, а поршни 4 своим положением перекрывают впускные окна 17 нижних цилиндров начинается процесс сжатия.
В заявленном ДВС подача и воспламенение топливной смеси происходит после одновременного впрыска топлива через две боковые форсунки 1.
В центре продолговатой камеры сгорания 26 размещен открытый ротор с лопастями 2 и вертикальным валом, который кинематически соединен с валом отбора мощности, т, е. одновременно с вращением вертикального вала идет и процесс интенсивного перемешивания и завихрения рабочего тела, что повышает полноту сгорания, препятствует распространению детонации и более продолжительнее протекает процесс расширения рабочего тела.
Рабочий ход (такт расширения) начинается под давлением расширяющихся газов сгоревшей топливной смеси. Форма камеры сгорания способствует высокой детонационной стойкости проходящего процесса сгорания.
С учетом расположения точек геометрического сопряжения, определивших размеры шатунно-поршневой группы и ротора 8 более целесообразно воспламенение в сегменте угла поворота вала от вертикальной оси в районе угла 18*-31*, в противном случае суммарное усилие, возникшее при перемещении поршней, не столько преобразуется в механическую работу вращения вала отбора мощности 31, потому что составляющая радиуса приложения сил очень мала, а лишь приводит к максимальным нагрузкам элементов шатунно-поршневой группы и КШМ, а также к тепловым перегрузкам конструкции и уменьшении продолжительности рабочего цикла.
Чтобы сгладить и смягчить негативные моменты от приложения максимальных усилий после воспламенения горючей смеси, ДВС оборудован цилиндрами с поршнями 4, в днище последних предусмотрено сквозное отверстие 5, проходное сечение которого при отклонении от вертикального положения шатуна 10 и сквозное отверстие в шаровом шарнире 12 сообщается или перекрывается с конусообразной полостью 14 над внутренним поршнем 15, размещенного внутри тела данных шатунов и соединенного тягами с подпружиненной подвижной опорой 16 с возможностью их ограниченного перемещения и поворота в момент максимального давления в камере сгорания для направленной передачи усилий на коленчатый вал 13, но уже с большим плечом приложения данных усилий.
Процесс выхлопа выхлопных газов из цилиндров начинается вновь, когда достигается необходимое положение поршней 6 верхнего ряда цилиндров относительно окон перепускных газоходов 25, встроенных в полости продолженного расширения роторов 8, близкое взаимное расположение которых минимизирует неактивную площадь ДВС и увеличивает эффективность процесса расширения, уменьшает тепловые потери, достигается компактность ДВС.
Создание потока выхлопных газов в роторе 8 реализуется за счет профилирования вращающих элементов ротора 8, для этого в каждый ротор могут быть введены несколько одинаковых по размерам двухлопастных вращающих элемента ротора 8 с внутренними пустотами 9, выполненные в форме полуцилиндров и со сквозными отверстиями в боковой поверхности.
Пустоты 9 выполнены для облегчения веса и увеличения активной боковой площади вращающих элементов ротора 8 и обеспечивают условия для проникновения в эти пустоты 9 определенного объема выхлопных газов.
В местах возвратно-поступательного движения поршней или вращения вертикального вала ротора имеются необходимые уплотнения, причем верхняя часть подвижных соединений поршень - цилиндр менее нуждается в необходимом уплотнении, т.к. всякая протечка рабочего тела попадет в полости продолженного расширения двухлопастного ротора 8 и лишь увеличит там давление. А так как давление выхлопа из правильно рассчитанного ротора почти равно атмосферному, то снижается и шум на выходе из ДВС.
С учетом того, что неактивная боковая площадь цилиндра при равных диаметрах и высоте всегда больше, чем полуцилиндрического лучше, чтобы соседние поршни 6 верхнего ряды цилиндров были выполнены - полуцилиндрической формы исполнения с плоскими боковыми торцами.
Конструктивные элементы КШМ ДВС кинематически взаимосвязаны и соосны с вращающими элементами двухлопастного ротора 8, что позволяют в период, когда поршни проходят свои НМТ добиться, чтобы составляющая среднего эффективного давления сгорания топлива с ее уже обратной направленностью была минимальной, за счет быстрого перепуска выхлопных газов в полость продолженного расширения ротора 8, когда обеспечивается и необходимое изменение вектора направленности действия этих сил.
Снабжение ДВС вторым, но уже закрытым ротором с вертикальным валом с лопастями 21 обеспечивает увеличение крутящего момента, но уже от отходящих выхлопных газов при выходе их из двух роторов 8.
Предложенная рациональная конструкция устройств, введенных в заявленный ДВС, улучшает качественные показатели происходящих процессов, когда за счет работы ротора 8, как дымососа, когда правильно рассчитаны размеры вращающих элементов ротора 8, достигается более полное удаление из цилиндров продуктов сгорания и их объемный перенос в полости 20 ротора 8, при этом обеспечивается и более качественное наполнение цилиндров топливной смесью, последующее ее сжатие и сгорание.
В ДВС с торцов в модулях -05, -06 предусмотрены устройства суммирования крутящего момента и синхронизации направления вращения с набором необходимых шестеренчатых 23 или цепных 22 зацеплений. Все валы в заявленном ДВС, в т.ч и промежуточные паразитные валы вращаются в закрепленных в корпусе коренных подшипниках качения. Хотя вращение лопастей ротора 8 не нуждается в специальной синхронизации, так как вращающие лопасти ротора 8, имеющие в сечении восьмиобразную форму обеспечивают при минимальных зазорах и передаче в одном направлении усилий от одного вала другому - безударность и низкую механическую напряженность деталей, высокую надежность узлов ДВС.
Таким образом, признаки как известные, так и описанные в заявленном техническом решении и объективно проявляющие в данной конструкции двигателя образуют совокупность, ранее неиспользовавшуюся в близких аналогах двигателей, что позволяет считать заявленную конструкцию двигателя внутреннего сгорания «НОРМАС-MX-37» соответствующую критериям «существенные отличия и новизны».