Двигатель внутреннего сгорания "НОРМАС" N 24 дрона
INTERNAL COMBUSTION ENGINE "NORMAS" OF N 24 DRONE

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 валах отбора мощности устройства.
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 заявленного ДВС в составе дрона - технического устройства, закрепившегося в названии беспилотных летательных аппаратах, а также связанное с авиационными системами. В этот раз краткое описание удобнее начать с модуля синхронизации вращения, в который в основном входят элементы цепных передач 22 и зубчатого цилиндрического зацепления (шестерни 12 и зубчатый венец 11 с креплением 23), а также элементы дополнительных и порой необходимых механических блокировок.
При этом чтобы подтвердить взаимосвязанное функционально - конструктивное образующее единство изобретения представлены графические материалы. Но для начало краткого описания заявленного устройства, с целью понятного и единого восприятия и для быстрой ориентации расположения деталей на графических материалах необходимо максимально упростить и исключить множество ненужных повторений и обозначений, взяв за основу построения совмещенную (привязанную к конкретному местоположению элементов ДВС) и упрощенно изображенную на фиг. 1 и 2 схему расположения точек координатной сетки, на базе которой и смонтирована сборная конструкция заявленного технического устройства.
На фиг. 1 и 2 легко заметить, что координатная сетка строится на базе семи кругов (круг - часть плоскости, ограниченная окружностью) одного диаметра, причем центральный круг с точкой в центре 00 соприкасается условной одной точкой с шестью остальными. Хотя на практике с учетом допусков при изготовлении зубчатых шестерен 12 или венцов 11, а также наличием зазоров при их перемещении или в соответствии с параметрами зубчатого зацепления величина соприкосновения как бы становиться условной. Тем более, что зацепления, как правило, и в том числе на фиг. 1-2 расположены в разных по уровням плоскостях.
Чтобы не сильно мельчить придется согласиться на ряд условностей при обозначении осевых центров. Вот на фиг. 1 изображена упрощенная схема расположения зубчатого зацепления венца 11 в районе центрального круга с точкой в центре 00 и трех зубчатых шестерен на валах с точками в центре 06, 06* и 06**, при этом применена простая логика подходов к системе маркировки с введением знаков (*) и (**) на расположение еще семи меньших кругов (тоже одного диаметра), что расположены внутри трех вышеупомянутых больших кругов.
А на фиг. 2 для удобства ориентации продолжена простая логика подходов частичной маркировки точек центров и валов, что расположены внутри больших кругов и схема расположения, но уже трех зубчатых венцов 11, которые входят в цилиндрическое зацепление с уже парой зубчатых шестерен и точками в центре валов (05* и 04; 05 и 04*; 05** и 04*), причем расположенных в другой плоскости.
На фиг. 3-7, где уже строго выдерживаются межосевые расстояния валов друг от друга, изображены как части вышеупомянутых позиций зубчатых зацеплений, в которую входят четыре венца 11 зубчатого зацепления с центрами в точках 00, 08, 09, 10 и девять зубчатых шестерен 12, так и элементы цепных передач 22, что в целом и составляют модуль синхронизации вращения заявленного ДВС, причем как неоднократно подчеркивалось выше элементы зубчатого зацепление могут быть расположены и в разных плоскостях по уровню, что оптимально упрощает конструирование, но возможно введение необходимых механических блокировок.
Вот на фиг. 3 изображен один из трех кругов в крупном масштабе, где отчетливо утолщенными линиями показано, как точки 01 (и аналогичные точки 01* и 01** в других двух больших кругах естественно) расположены в центрах объема камер сгорания цилиндров 16, при этом одновременно являются (позиционируются на графических материалах) как центры малых кругов, и как одни из вершин равностороннего треугольника, вписанного в окружность объединяющего круга, причем две другие вершины данного треугольника являются осевыми центрами вращения валов 04 и 05 с кривошипами 21, что расположены между двумя боковыми цилиндрическими щеками (на фиг. 1-8 не обозначены), которые, в свою очередь, имеют возможность вращаться в сборной конструкции боковых межмодульных перегородок и элементов корпуса 27 (фиг. 8).
Еще осевые центры вращения валов 02 и 03, а также 06 с кривошипами 21 привязаны и к трем вершинам, вписанного в эту же объединяющую окружность круга фигуры пятиугольника с вершинами 02-06, 13 и 14. А у точки 07 - как у осевого центра вращения 3-х ходового крана 19 нет признаков местоположения.
Заметим также, что от частоты вращения валов и размеров элементов модулей с рабочим ходом и модулей с ранним продолженным расширением заявленного ДВС во многом предопределены размеры, формы и угла саблевидности лопастей, что расположены с креплением 23 внутри четырех венцов 11 зубчатого зацепления.
На представленных графических материалах с учетом масштаба легко заметить, что и радиус малых семи кругов позиционируется как равный радиусу вращения кривошипа 21, отчего непременно зависит и рабочий ход цилиндрической формы поршней 16, которые имеют возможность совершать ограниченные возвратно-поступательные перемещения при передаче усилий, являясь элементами модулей с рабочим ходом или модулей с ранним продолженным расширением.
Экспериментальные расчеты проходящих в ДВС процессов показали, что полное расширение рабочего тела до того момента, когда при рабочем ходе ДВС изменяется вектор движения кривошипа 21, не дает того прироста работы на индикаторной диаграмме ДВС, который может быть обеспечен только за счет качественного газообмена, а также от хорошо отлаженного разделенного раннего продолженного расширения, которое начинает осуществляться до того, когда поршни 16 в модулях с рабочим ходом еще не изменили свой вектор движения.
Не желая связывать себя с какой-либо теорией, авторы изобретения считают, что постулат термодинамики, что в изолированных термодинамических системах теплота и работа расширения являются двумя единственными формами передачи энергии от одного тела к другому, являются с рядом существенных допущений при этом явно условными, особенно понятия - изолированная термодинамическая система и работа расширения, особенно с учетом скоростей протекания процессов. Чуть ниже - попробуем объяснить почему - так как это очень важно.
Известно, что перемещение поршня 16 в цилиндре 17 от ВМТ (фиг. 4) в модуле с рабочим ходом происходит как следствие высвобождения энергии-импульса фронта горения начальной плотности горючей смеси в камере сгорания (хорошо, если он будет затяжной и с продолжительным горением, как у дизелей), при этом поршень 16 на середине своего рабочего хода разгоняется, чтобы совершенно четко через какие-то еще доли секунды уже изменить свой вектор движения на противоположный явно (о какой передаче энергии от одного тела к другому как бы идет речь…).
Забегая немного вперед, отметим, что неплохо, чтобы в газопоршневом или дизельном варианте двухтактного ДВС происходило затяжное протекание термодинамического цикла с расчетными параметрами, а для этого сам впрыск топливной смеси надо растянуть по времени относительно угла поворота валов вращения, поэтому крышка 30 цилиндров 16 и двух вихревых предкамер 24 (форкамер), снабжены тремя гнездами 25 с форсунками или другими элементами, чтобы обеспечить впрыск и дожигание другого компонента сгорания или для быстрого перехода работы ДВС в режим с впрыском моторного или газообразного синтетического топлива-диметилового эфира, обеспечивающего нормы Euru3. Для снижения температуропроводности крышки 30 изготовлены методом совместного спекания, армированы перфорированными пластинами, где их боковые или торцевые срезы расположены под прямым углом к ее внутренней поверхности (подобно наличию «слегка теплой» боковой поверхности как у пластинчатых теплообменников, работающих в диапазоне высоких температур).
Шатуны 35 и поршни 16 как в составе крейцкопфной цилиндро-поршневой группы у модулей с рабочим ходом, так и с ранним продолженным расширением выполнены из одинаковых элементов и скорее связано со спорностью положения «передачи энергии от одного тела к другому за очень короткий момент времени» согласно вышеупомянутых постулатов и связанных с расширением рабочего тела, так как известно, что силы инерции по величине лишь немного уступают силам давления на днище поршня 16, а порой и превышают их величину.
По нашему мнению направление вектора импульса поршня 16 всегда совпадает с направлением вектора скорости формированного потока выхлопных газов и законами инерции, что очень важно при его дальнейшем перемещении (подобно бильярдному шару после удара или вылетающему снаряду), то есть само расширение сгоревшей смеси всегда вторично и является скорее функцией текущих термодинамических параметров состояния и геометрических размеров полостей расширения, как говорится - было бы когда и куда расширяться - и по аналогии - это подобно установке дополнительных парусов при попутном потоке или сильных затяжных порывах ветра, чтобы реально усиливает тягу и скорость самого парусника. Или возьмем, например, работу дизель молота в составе копера с его как бы «ранним выхлопом» и «разделенным циклом», но это же ничуть не мешает забивать на полную или расчетную глубину железобетонные сваи.
Как отмечалось выше в состав заявленного ДВС также введены и модули с ранним продолженным расширением. Термин «раннее продолженное расширение» скорее введен, чтобы упрощенно расставить последовательность по времени происходящих событий, связанных с обменом или изменением энергии - при этом утверждается, что сначала произошло воспламенение горючей смеси, затем поршень 16 (фиг. 5) в цилиндре 17 прошел всего лишь половину рабочего хода и в этот же момент, а не чуть позже начинается одновременное формирование выхода и перепуска (детандерное редуцирование через отвод 26 с расчетным отверстием) данного потока выхлопных газов из цилиндров 17 в два эспандерные цилиндра 18.
То есть в заявленном ДВС имеется возможностью рабочими органами, которыми являются поршни 16, совершая ограниченные возвратно-поступательные перемещения (с разницей начала 90° оборота валов 06, 06* и 06**), производить два рабочих хода в нужном направлении приложения усилий, а ведь при этом произошел только один процесс полного сгорания топливно-воздушной смеси.
В этом кратком описании Вы не найдете пояснений относительно расположения технологических выборок (карманов) для крепления, а допустим, сами зазоры в местах перемещений или вращений узлов и элементов, то отсутствуют, то сознательно увеличены или изображены весьма упрощенно, при этом некоторые для наглядности порой выделены утолщенной линией или точкой, так как являются важной частью уточнения по ходу краткого пояснения.
Еще следует отметить, что в данном описании совсем неслучайно и порой преднамеренно из вышеприведенного текста прототипа позаимствованы (выбраны, взяты и обозначены) три названия (словосочетания) элементов заявленного ДВС дрона, которыми назовем барабаном газораспределительного золотника 20 и патрубками 36 воздуховпускных и газовыпускных органов.
Данное заимствование словосочетаний на представленных графических материалах позволяет сравнивание похожих позиций по своему функционалу и иногда исключают ненужные повторения. Ведь порой не так важно, как промаркированы (обозначены) те же патрубки 36 воздуховпускных и газовыпускных органов или патрубки 37 подачи смазочного масла к местам трения - важнее показать суть данных позиций, где они расположены, содержаться представлены, встроены, при этом они могут иметь разные формы или расчетные размеры, но все они введены в ДВС непременно для определенного назначения.
Назначение введенных в ДВС воздуховпускных органов сводиться не только к тому, чтобы производить продувку и наполнение цилиндров 17 свежей порцией воздуха с наддувом, а также формировать эффективное накопление и подачу расчетных объемов воздуха в цилиндры 17 посредством введенных в схему обратных клапанов, байпасных участков (на фиг. 1-8 они не показаны), а также параллельно встроенных в схему сильфонов 28 с защитными кожухами.
Заметим также вот на фиг. 6 условными стрелками изображен момент, когда происходит продувка воздухом цилиндра 17 от остатков продуктов сгорания и одновременно тоже условными стрелками изображено как часть объема выхлопных газов с определенным давлением поступает, но уже в оба цилиндра 18, причем чуть позднее по времени из двух вихревых предкамер 24 (форкамеры), которые смонтированы как элемент в составе так называемого газораспределительного золотника 20, которые одновременно имеет возможность синхронно вращаться относительно осевых центров с точками 02 и 03 соответственно.
Причем на фиг. 6 изображен момент окончания петлевой продувки от остатков продуктов сгорания (в том числе за счет отсоса их через открытые патрубки 36 байпасных схем воздуховпускных и газовыпускных органов) и начинается процесс наполнение свежего заряда воздуха, в том числе и из сильфонов 28, который как мы видим на фиг. 7-8 соединяется с полостью 33 двухкамерной шины. На фиг. 4 тоже условными стрелками изображен процесс, который благодаря положению отвода 26 и наличию открытых патрубков 36 байпасных схем воздуховпускных и газовыпускных органов происходит при перемещении поршней 16 к ВМТ в двух эспандерных цилиндрах 18. То есть по сути в заявленном варианте ДВС «НОРМАС» №24 дрона позиционирует наличие объединяющей системы прямой и обратной взаимосвязи в данных воздуховпускных и газовыпускных органах, чтобы достичь технического результата в вопросе качественного газообмена, и что позволяет говорить о присутствие в изобретении признаков перспективного газообмена.
Технической задачей в целом и если очень кратко, на решение которой направлено конструктивное выполнение заявленного варианта двухтактного ДВС дрона по сути является расширение кинематических возможностей ДВС, включающего также и то, что сборный корпус 27 собран из модулей с рабочим ходом, модулей с ранним продолженным расширением выхлопных газов и модулей синхронизации вращения с отбором мощности, каждый элемент или звено которых смонтировано на базе семи центров с точками 00-10(фиг. 1-7) местоположения семейства двух видов соприкасающихся кругов одного диаметра на координатной сетке, где центры шести кругов с точками 01-06 расположены на окружности объединяющего круга, совпадают с узлами вращения ДВС (осевые центры вращения с точками 02-06) и центром объема камеры сгорания цилиндров 17 в точке 01, при этом часть этих точек этих центров одновременно позиционируются на графических материалах как вершины равностороннего треугольника либо пятиугольника, вписанных в эту окружность объединяющего круга, при этом из них три осевых центра являются центрами осей вращения валов с точками 04-06 со смонтированными кривошипами 21, что расположены между двумя боковыми цилиндрической формы щеками, которые имеют возможность вращаться в конструкции сборных межмодульных перегородок, элементов и узлов корпуса 27; лишь точка 07 как осевой центр вращения 3-х ходового крана 19 не привязана и имеет слабые признаки своего местоположении, хотя и является центром круга; при этом вышеупомянутые осевых центры валов с центрами в точках 02-06 являются позициями, на которых закреплены с возможностью совместного вращения зубчатые зацепления, в состав которых входят одинаковые по размеру, параметрам зацепления и геометрическим размерам зубьев четыре венца 23 зубчатого зацепления, имеющих форму кольца, и девять зубчатых шестерен 12 цилиндрической формы, а также элементы цепных передач 22, что в целом и составляет модуль синхронизации вращения заявленного ДВС, причем как неоднократно подчеркивалось выше элементы зубчатого зацепление могут быть расположены и в разных плоскостях по уровню, что как бы более оптимально, но порой может быть возможное введение необходимых механических блокировок; при этом вышеупомянутые осевые центры валов являются также позициями, на которых закреплены с возможностью совместного вращения элементы зубчатых зацеплений, в состав которых входят одинаковые по размеру, параметрам зубчатого зацепления и геометрическим размерам зубьев четыре венца 11 зубчатого зацепления, имеющих форму кольца с центрами в точках 00, 08, 09, 10 и девять зубчатых шестерен 12 цилиндрической формы, а еще элементы цепных передач 22, что и составляет модуль синхронизации вращения заявленного ДВС дрона; в представленных графических материалах ДВС предопределено, что диаметр окружности малых семи кругов равен диаметрам поршней 16, цилиндров 17 и 18, диаметрам окружностей впадин девяти зубчатых шестерен 12 зацепления, а также всех звездочек 15 цепных передач 22 и сопряженных частей при их возможном взаимодействии с учетом, конечно, масштаба, зазоров при их перемещении, допусков при их изготовлении или в соответствии с параметрами зацепления; понятно, что поршни 16, имеют возможность совершать ограниченные возвратно- поступательные перемещения в цилиндрах 17 и 18 при передаче усилий, являясь рабочими органами и одновременно элементами модулей с рабочим ходом или модулей с ранним продолженным расширением; в состав воздуховпускных и газовыпускных органов ДВС кроме патрубков 36 и обратных клапанов, которые выполнены с ограничением поворота их шибера и байпасных участков введены и параллельно встроенные в схему сильфоны 28 из нержавеющей стали с защитными кожухами, которые формируют накопление, а при открытом 3-х ходовом кране 19 (фиг. 6) также обеспечивают и расчетный расход воздуха при продувке и подаче его с наддувом в полость цилиндра 17; кстати, равномерное вращение всех валов в заявленном ДВС дрона обеспечивается тем, что рабочие ходы поршней 16 или одноименные такты в цилиндрах 17 и 18 в этих модулях с рабочим ходом или с ранним продолженным расширением выполняются не в одно время, а последовательно чередуются через 120° соответственно, и это чередование свойственно, например, и при подаче компонентов смазки из шести полостей 31, что смонтированы на ободе 29 (фиг. 7-8) с использованием защитных кожухов сильфонов 28, когда смазка через соответствующие патрубки 37 капельно поступает на узлы этого ДВС с трением; еще неслучайно выполнено, что внутренняя полость сильфонов 28 соединяется с полостью 33 двухкамерной шины, а соседняя большая полость 32 может быть использована под газообразные или жидкостные компоненты топлива; а вот крышка 30 цилиндров 17 и корпус двух примыкающих к нему вихревых предкамер 24, кстати, последние имеют возможность вращаться синхронно с вышеупомянутыми валами, снабжены тремя гнездами 25 для установки в них форсунок, при этом крышки 30 изготовлены методом совместного спекания, армированы пластинами, расположенными под прямым углом к стенке; в районе юбки поршня 16 предусмотрены разборное гнездо, где с помощью шаровых соединений 35 крепится шатун 34 соответствующей конструкции;
Любой технический результат реализуется более полно, когда в заявленном ДВС конструктивно содержится (предусмотрено, представлена) оптимальная схема продолжения компоновки (изображенной схематично на фиг. 1-2), чтобы не исключить, а обеспечить возможность увеличения крутящего момента.
И вот, что интересно, чтобы достичь получение нового технического результата схема компоновки ДВС «НОРМАС» №24 с учетом предшествующих вариантов ДВС «НОРМАС» достаточна, чтобы обеспечить бесспорную оптимальную технологичность при его изготовлении, а ранний перечень оригинальных деталей и узлов позволяет сравнивать и оценивать все стороны вопроса.
Одновременно предоставленные графические материалы не исчерпывают всю сущность изобретения и не ограничивают каким-либо образом возможные горизонты 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, которое по сути никак не противоречит смыслу и духу изобретения.
Контуры ДВС «НОРМАС» №24 дрона легко встраиваются в состав автономного беспилотного мехатронного летательного устройства, включающего возможную совокупностью воздействия на его, когда происходит передача движения винтам (лопастям) устройства путем возможного запуска ДВС при введении в это устройство внутренней и внешней системы управления и наличия условных датчиков-антенн, что обеспечивает изобретению прорывное или перспективное промышленное применение и не только…