ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ "НОРМАС" N 34
INTERNAL COMBUSTION ENGINE "NORMAS" N 34

Заявленная конструкции двигателя относится к области энергомашиностроения, а именно к промышленно применимым объемным двигателям внутреннего сгорания (ДВС), а при определенных изменениях в конструкции возможен и перевод его работы в режим компрессора - устройства для создания избыточного давления рабочего тела или детандера - генерирующего устройства для редукции давления рабочего тела и получения мощности на выходном валу.
Наиболее близким к заявленному варианту конструктивно является ДВС (а.с. №828780) содержащий, по меньшей мере, одну пару цилиндров с возвратно поступательно движущимися поршнями и головку, в которой размещен один периодически сообщающийся с цилиндрами, газораспределительный золотник цилиндрической формы, снабженный общей для обоих цилиндров камерой сгорания и кинематически связанный с коленчатым валом двигателя, при этом с целью повышения экономичности путем обеспечения продолженного расширения продуктов сгорания, цилиндры выполнены разного объема, причем цилиндр меньшего объема снабжен воздуховпускными органами, а цилиндр большего объема - газовыпускными, и кривошип коленчатого вала цилиндра меньшего объема смещен в сторону опережения по ходу вращения коленчатого вала на 9-72° относительно кривошипа цилиндра большего объема.
Недостатками прототипа являются то, что при продолженном расширении в нем, не изменяя геометрические параметры углов относительно кривошипа, не удается очень направленно и наиболее полно реализовать преимущества качественного газообмена и продолженного расширения на более энергоэффективном уровне.
Задача, которая реализуется в предлагаемом изобретении предопределило выбор двухтактного ДВС, где увеличенные величины крутящего момента создаются не только во время, но и после каждого второго хода поршня, а также по мере нарастания активной площади введенных устройств и качественного газообмена.
При проработке технической задачи, на решение которой направлено конструктивное выполнение как предыдущих вариантов ДВС «НОРМАС» с приоритетом, начиная от 25.10.2011 г., так и заявленного варианта ДВС по сути является расширение кинематических возможностей ДВС, которые предполагают полезную многофункциональность, чтобы при этом сохранить четко отлаженную термодинамику, проходящих в ДВС процессов с повышением надежности конструкции, и чтобы без применения редуктора обеспечить максимально возможный крутящий момент на полом (трубчатом) валу отбора мощности 12.
Мощность достаточно условный параметр, который отображает полезную работу, совершаемую газами при расширении в цилиндрах двигателя в единицу времени за вычетом затрат на преодоление сил трения и для приведение в действие вспомогательных механизмов. Если попробовать объяснять просто, то крутящий момент-это то, что на самом деле толкает машину вперед, а мощность - это то, что этот крутящий момент производит.
Крутящий момент является важнейшим эффективным динамическим показателем и характеризует тяговые возможности двигателя. Его величина в основном зависит от среднего эффективного давления сгорания топлива, геометрических величин активной площади рабочих органов и плеча приложения усилий.
Для упрощения пояснений взаимодействий деталей и элементов, входящих в послойный разрез, а также для краткого описания взаимосвязи, местоположения при сборке предопределило введение понятия - модуль, которое определяется как полезная и устойчивая совокупностью похожих свойств при конструировании ДВС. Сущность изобретения со схематическим местоположением элементов ДВС легко поясняется с использованием представленных графических материалов. Но для начало краткого описания заявленного устройства, с целью понятного восприятия и для быстрой ориентации расположения деталей на графических материалах просто необходимо максимально упростить и исключить множество ненужных повторений и обозначений, взяв за основу построения совмещенную (привязанную со всеми элементами ДВС) координатную сетку, причем лишь ту ее повторяющую часть на базе которых и смонтирована сборная конструкция всего корпуса (Фиг. 6-8 в сборе). Вот на фиг. 1 изображено лишь половина (причем правая ее часть) или 60° углового сектора от 1/3 части общей координатной сетки, включая единую точку отсчета 00, расположенную на центральной оси полого вала отбора мощности 12, от которой радиально лучами под углом 120° друг от друга равноудалены три точки расположения осевых центров рабочих объемов цилиндров 16 с тронковым кривошипно-шатунным механизмом (КШМ), а на трех других радиальных лучах, которые по сути являются биссектрисами предыдущих углов, расположены соответствующие точки цилиндров 16 с крейцкопфным КШМ, причем нечетную маркировку осевых точек 01,03,05 кругов присвоена центрам рабочих объемов цилиндров 16 с крейцкопфным КШМ, а четными точками 02,04,06 центров кругов обозначены соответствующие центры цилиндров 16 с тронковыми КШМ.
Заметим также, что именно от этих шести точек 01-06 в модулях с рабочим ходом на равноудаленном расстоянии по радиусу в сторону единой точки отсчета 00 расположены осевые центры валов 07, которые выполнены с возможностью синхронно вращаться, причем валы с маркировкой 07 - на всех фиг. 1-11 в данном случае синхронно вращаются строго против часовой стрелки.
А вот на фиг. 2 изображен подобный сегмент углового сектора совмещенной координатной сетки тоже с углом в 60°, причем левая его часть, но уже в составе модуля синхронизации вращения, на которой также легко прослеживается выше описанная закономерность с расположением и синхронным вращением валов 07 посредством взаимодействия введенных цилиндрической формы шестерен 31.
Также в составе модулей синхронизации вращения и отбора мощности на фиг. 2 промаркированы и валы 08, которые согласно совмещенной координатной сетки расположены, как и вал 07 с крейцкопфным КШМ на равноудаленном расстоянии от единой точки отсчета 00, но только на оси цилиндров 16 с тронковым КШМ, при этом сами валы 08 являются валами промежуточными, то есть на которых размещены только шестерни 31 зацепления, последовательно передающие крутящий (вращающий) момент. Кстати, валы 08 в данном случае выполнены с возможностью синхронно вращаться только по направлению часовой стрелки.
Промежуточными можно назвать и пару валов обозначенных цифрой 10 на фиг. 2, но ниже выясниться, что синхронное вращение валов 10 полезно обеспечивает и работу воздуховпускных органов, кстати, последнее словосочетание неслучайно позаимствовано (взято) из вышеприведенной фразы выбранного прототипа, но позиционируется вместе с применением современных элементов, материалов, технологий, ориентированных только на достижение технического результата.
Ну, и последний значимый на совместной координатной сетке обозначен осевой центр вала 09, который и на фиг. 2 и на других графических материалах с учетом масштаба равноудален с одной стороны от осевой линии вала 08, а с другой стороны отточек 01, 03, 05 - нечетных центров кругов, которые в очередной раз повторюсь являются одновременно и центрами рабочих объемов цилиндров 16 с крейцкопфными КШМ. Кстати, валы 09, как и 08, в данном случае выполнены с возможностью синхронно вращаться только по направлению часовой стрелки.
Причем в промежутках (разрывах) как у шести валов 07, так и у шести валов 09 расположены боковые цилиндрической формы щеки 15, а уже между парными щеками 15 расположены смонтированные кривошипы 30 одного диаметра.
Как отмечалось выше для понятного восприятия кривошипами 30 на фиг. 3-10 обозначены и кривошипы модулей с ранним продолженным расширением, хотя расположение данных кривошипов 30 на боковых щеках15 отличается величиной радиуса от центра соответствующего вала 09 или плечом приложения усилий. Данное отступление от одной величины плеча приложения усилий продиктовано тем, что все экспандерные цилиндры 13 с поршнями 33 модулей с продолженным расширением выполнены согласно расчетам полусферической формы, что во многом предпочтительнее, оптимально, промышленно технологично с учетом применения плоских межмодульных перегородок (на фиг. 3-10 они не показаны).
Кстати, совсем неслучайно все кривошипы 30 в модулях с рабочим ходом изображаются на фиг. 3-10, привязанными к линиям соответствующих кругов - это и удобно для нанесения данных кривошипов 30 и чтобы оправданно избежать прорисовку более мелких линий на представленных графических материалов.
Круги и их местоположение на совмещенной координатной сетке и на других графических материалах нанесены тоже совсем неслучайно, причем все изображенные ряды кругов одного диаметра, расположены так, что возможно между рядами этих кругов провести только три вида (или три возможных варианта) пересечений касательных линий, которые каждый круг из данного числа вписывают в правильный шестиугольник (фиг. 1-2), что очень важно.
Для подтверждения этих признаков построения ближе к центру фиг. Специально утолщенными линиями выделен правильный шестиугольник, который всегда образуется при пересечении этих касательных линий любого круга на данной координатной сетки. Также похожее выделение, но другого правильного шестигранника изобразим на фиг. 2, а центр вписанного круга промаркируем точкой 11, чтобы в дальнейшем было проще ориентироваться в положении крейцкопфа 14 в любом из модулей с рабочим ходов и крейцкопфным КШМ.
На фиг. 3-5 с учетом масштаба произошел переход от элементов и частей общей совмещенной координатной сетки, на базе которых смонтирован заявленный ДВС «НОРМАС» №34 к детальной прорисовке местоположения и краткого описания термодинамических процессов, которые происходят именно в данный момент.
Еще на фиг. 1-2 координатной сетке и в деталировке элементов заявленного ДВС нетрудно заметить, что диаметры кругов равны диаметрам цилиндров 13 и 16, поршней 33,34, поршней 19 помпы, диаметрам боковых цилиндрической формы щек 15, между парами которых размещены кривошипы 30, с учетом допусков при изготовлении, а также диаметрам окружности впадин зубьев шестерен 31 зацепления, которые, как описано выше, введены в состав узлов или деталей модулей с небольшим по количеству наименований в комплектацию ДВС.
Оговоримся сразу, что в этом кратком описании Вы не найдете пояснений относительно расположения технологических выборок (карманов) для крепления, стыковки, допустим тех же межмодульных перегородок, а на графических материалах допустим одни зазоры в местах перемещений или вращений узлов и элементов местами то отсутствуют, то сознательно увеличены или изображены весьма упрощенно, но в целом везде выдерживаются межосевые расстояния друг от друга, особенно центров кругов, которые сознательно увеличены в размере.
На фиг. 1-2 сознательно половинки кругов, что выходили за пределы углового сектора 60° или допустим дополнительные детали, которые могут быть введены, обозначены штрихпунктирной линией, а на фиг. 3-11общие точки соседствующих модулей, но находящиеся на разных страницах при соединении знаками * - ****.
На фиг. 4 изображен момент окончания рабочего хода и графически подмечено как до этого момента происходила петлевая продувка цилиндров 16 от остатков продуктов сгорания посредством применения (как пояснялось выше) системы воздуховпускных органов. Почему систему - потому, что воздуховпускными органами в данном случае названы не только, непоказанные на фиг. 3-11, но введенные в систему обратные клапана, подключенные к газоходам через каналы с эжекцией, дополнительные части кулисы, а по сути, - поршни 19 воздушной помпы с манжетным уплотнением цилиндров 13, трубчатые воздуховоды 17 с окнами впуска и выборками, расположенными по периметру цилиндров 13,16, участки с необходимыми перепускными байпасными воздуховодами и объемами, золотники воздухораспределительные или, если упрощенно - 3-х ходовые краны, перепускные полости которых образованы введением во внутреннюю полость воздуховода 17 с соответствующими отверстиями двух шаровых кранов 18, выполненные с возможностью синхронного вращения от соосного соединения с валами 10, и которые обеспечивают расчетную величину давления наддува.
Хотя очевидно, что эффективные параметры наддува в основном достигаются посредством увеличения плотности свежего заряда воздуха поступающего в рабочий объем модулей с рабочим ходом при понижении его температуры.
Чтобы не путаться и адресно на графических материалах описывать конкретный модуль - объединим №34 с точками на совмещенной координатной сетке, где нечетные точки 01, 03, 05 - центры рабочих объемов цилиндров 16 с крейцкопфным КШМ, а четные точки 02, 04, 06 соответствующие центры с тронковыми КШМ, то о чем прописано выше, чтобы соединить детали и узлы в единый корпус (фиг. 6-8).
Исходя из этого, поршни 34 модулей с рабочим ходом №34 - 01-06 выполнены сборными, но при этом имеют существенные отличия, кроме, пожалуй, самой формы конструкций головок 20 поршней 34 - здесь много взаимозаменяемого. Хотя не только толщина головки 20 поршней 34, форма поверхности его днища и крышки 21 цилиндра 16 формируют объем камеры сгорания и определяют расчетную степень сжатия, но и другие важные термодинамические параметры.
А чтобы в газопоршневом или дизельном варианте ДВС происходило четкое протекание термодинамического цикла с расчетными параметрами, а сам впрыск топливной смеси был растянут по времени относительно угла поворота полого вала 12, крышки 21 цилиндров 16 снабжены тремя гнездами 22 для размещения форсунок, а также, чтобы в ряде случаев обеспечить быстрый переход на работы ДВС с применением моторного синтетического топлива - диметилового эфира (ДМЭ), обеспечивающего экологические нормы Euro 3.
Еще на фиг. 3 - изображено, что у модулей №34 - 02, 04, 06 в состав сборных поршней 34 введена легко демонтируемая после разъема болтового соединения юбка 24, причем так, что цилиндрическая форма ее внешней поверхности переходит в ответную (папа-мама) конусообразную форму внутренней поверхности поршня 34, создавая при этом конусообразное соединение, а вместе с головкой 20 поршня 34 - единое место (постель), где размещен шаровой 3-х ходовой кран 23 с возможностью ограниченного поворота при перемещении поршня 34 посредством непосредственного жесткого соединения с шатуном 25, который имеет форму изогнутой пластины двутаврового профиля с укороченными плечиками и для облегчения веса перфорированную отверстиями поверхность. А вот у модулей №34 - 01, 03, 05 только головка 20 поршня 34 и соединенная с ним цилиндрической формы юбка 24 образуют место (постель), где размещен уже узел шарового сочленения 41 крейцкопфа 14 (удобно было обозначить на фиг. 7), кстати, который имеет форму прямой пластины двутаврового профиля тоже с укороченными плечиками и с перфорированной отверстиями поверхностью. Другие концы вышеописанных пластин выполнены с проушинами с должным допуском под диаметр кривошипа 30, где при размещении занимают центральное место, одновременно на шейке кривошипа 30 также размещено четное число изогнутых пластин 27 с проушинами на обоих концах, причем длина между центрами проушин и центрами шаровых сочленений всех пластин, включая сборный (с соединением 26) крейцкопфный КШМ, одинаковы, как впрочем, и поверхностный профиль. Вот почему четное число равной длины и одинаково изогнутых пластин 27 нигде на фиг. 3-10 не попали в центральный разрез. Да и помним, что технической задачей изобретения является и способ улучшения технологичности изготовления и обеспечение данного варианта небольшим по количеству введенных наименований в комплектацию ДВС и отсутствием узлов с мелкими деталями - все это, как и вышеприведенная одинаковость размеров поршней 33, 34, шестерен 31, щек 15 формирует полезную функциональность при конструировании и придает элементам ДВС бесспорную оптимальную технологичность как при изготовлении, так и при сборке.
Экспериментальные и термодинамические расчеты показали, что полное расширение рабочего тела до того момента, когда при рабочем ходе ДВС изменяется вектор движения кривошипа 30, не дает того прироста работы на индикаторной диаграмме ДВС, который может быть обеспечен только за счет возможности качественного газообмена, а также от хорошо отлаженного раннего продолженного расширения, которое начинает осуществляться еще до того, когда поршни 34 в модулях с рабочим ходом №34 - 01-06 изменят свой вектор движения. На фиг. З изображен момент начало условно раннего (так как поршень 34 прошел лишь половину рабочего хода) продолженного расширения.
Да и согласитесь, считается, что начальное движение свободного от связей поршня 34 первоначально обеспечивается исключительно взрывным импульсом и фронтом воспламенения горючей смеси, а так же законами инерции при его дальнейшем перемещении (подобно бильярдному шару после удара или вылетающему снаряду), а само расширение сгоревшей смеси всегда вторично и является скорее функцией геометрических размеров полостей расширения, как говорится - было бы, где и куда расширяться, обеспечивая при этом однонаправленность вектора движения и полезную взаимосвязь узлов ДВС.
Для достижения технического результата в системе воздуховпускных органов предусмотрено введение встроенных, конструктивно приспособленных 3-х ходовых кранов 18, перепускные полости которых образованы соединением внутренней полости воздуховода 17 с рядом выполненных отверстий и запирающего или регулирующего элемента крана 18, имеющего сферическую форму, выполненных с возможностью синхронного вращения от соосного соединения с промежуточным валом 10 и байпасных линий воздуховодов 17 (они частично изображены на фиг. 3-10 в виде присоединенных фланцев к крану 18), а по сути, здесь позиционируется наличие объединяющей прямой и обратной взаимосвязи, которая в определенный расчетный момент положения соответствующих шестерен 31 осуществляет петлевую продувку или наполнение цилиндров 16 воздухом, что несомненно и позволяет говорить о присутствие в изобретении признаков перспективного газообмена.
Чтобы функция газообмена обеспечивалась и расчетным объемом воздуха в конструкцию модулей с ранним продолженным расширением может быть введена дополнительная перегородка 28, добавляющая необходимые сквозные прорези 29 на уже перфорированной поверхности стакана 32 полуцилиндрической формы. Перфорированы расчетным числом отверстий 35 для охлаждения составных деталей кулисы при ее ограниченном возвратно- поступательном перемещении, которая как-то едино не обозначена на фиг. 3-10, но по сути являются основным связывающим звеном поршня 19 воздушной помпы, поршня 33 и стакана 32. Кулиса имеют возможность совершать в направляющих ограниченные возвратно-поступательные перемещения, выполнена с образованием двух направляющих лотков, между которыми имеет возможность совершать такие же перемещения ползун (на фиг. 3-10 его нет, чтобы не мельчить), выполненный с возможностью свободно вращаться относительно оси кривошипа 30 при передаче усилий посредством размещения обоймы контактируемого игольчатого или шарикового подшипника качения, кстати, последние размещены, как правило, между внутренним диаметром проушины пластины 27 и диаметром кривошипа 30.
Введение перегородок 28, дополнительных перепускных полостей, байпасных линий и обратных клапанов в модули продолженного расширения преобразует воздушную помпы с поршнями 19 в уже помпу двукратного (двойного) действия.
Вторым важным фактором прироста работы на индикаторной диаграмме ДВС безусловно является, как утверждается выше, раннее продолженное расширение, выхлопных газов прорывающихся из цилиндров 16 в экспандерные цилиндры 13, где при детандерном редуцировании реализуется генерация энергии выхлопа, причем, именно этот начальный момент изображен на фиг. З, когда поршень 34 еще не изменил свои векторы движения, пройдя лишь половину рабочего хода.
Не желая связывать себя с какой-либо теорией, авторы изобретения полагают, что всякое перемещение поршня 34 в цилиндре 16 начинается и происходит как следствие исключительно начального взрывного импульса в камере сгорания, который не исчезает, не рассеивается вместе со звуковой волной, а ориентирован с направлением движения выхлопных газов, изменяя скорость потока и усиливая вектор направления, если на его пути встречается расчетная площадь поршня 33.
Как вскользь замечено выше, было бы куда и где расширяться, и это подобно установке дополнительных парусов при попутном потоке или сильных порывах ветра, чтобы реально усилить тягу и скорость парусника.
Также технический результат достигается, когда в сборном поршне 34 модулей №34 - 02, 04, 06 в районе сборки вышеупомянутого конусообразного соединения конструктивно предусмотрено формирование потоков раннего продолженного расширения, а в качестве устройства для осуществления этого выбраны правая и левая ветви, выполненных винтовых конусообразных выборок в месте соединения, в которые заложена трубка 36, один конец которой начинаются в районе усеченной вершины конуса, примыкающего к 3-х ходовому шаровому крану 23, а второй конец трубки 36 тоже закреплен в конусообразной винтовой выборке и почти вплотную подходит к периметру юбки 24.
Момент начала раннего продолженного расширения реализуется, когда через предусмотренное отверстие в центре головки 20 поршня 34 и через перепускные полости, открывшиеся при повороте 3-х ходового шарового крана 23, выхлопные газы устремляются в полость 40, что расположена в месте выхода второго конца трубки 36 на теле поршня 34, и которая к этому моменту подошла к полости, где берет начало расширенная выборка профильного паза 37, но уже на цилиндре 16. Детали, входящие в ДВС могут быть получены с использованием общепринятых технологий литья, механической обработки, штамповки и т.д. То же относится и к профильному пазу 37, когда днище цилиндров 13 собрано и закреплено из двух скрепленных половинок, одна из которых перфорирована расчетным числом сквозных отверстий в месте выборки профильного паза 37 для истечения газов.
Еще часть деталей предусмотрительно могут быть выполнены из расчетного числа двухсторонних слоев сопряженных и закрепленных между собой пластин, из облегченных композитных материалов и термостойких волокон.
После углового поворота оси кривошипа 30 на 180°, выхлопные газы при почти атмосферном давлении выйдут через выпускные окна цилиндров 13 или же с подсосом, что позиционировалось выше, при этом выходные газоходы 38 у модулей №34 - 02, 04, 06 подключены определенным образом к газоходам от модулей №34 - 01, 03, 05, когда через каналы посредством возникающей эжекции, сформированной дефлекторами потока воздуха при движении его через критическое сечение профилированного сборного выпускного коллектора, создается подсос остатков выхлопных газов из полости цилиндров 13 (фиг. 10).
Одновременно предоставленные графические материалы и краткое описание конструкции варианта ДВС «НОРМАС» №34 не исчерпывают всю сущность изобретения и не ограничивают каким-либо образом возможные варианты его осуществления, а лишь открывают новые возможности в объеме заявленной формулы, и если какие-то признаки раскрыты для одной компоновки изобретения, то эти же признаки могут быть использованы и в совмещенных компоновках осуществления изобретения, так как при этом выполняется важное условие, что это в конечном случае не противоречит смыслу и духу изобретения.
В данном случае - это, например, полезное встраивание в «условно пустые» круги на фиг. 1-2 схемы осуществления привода части сельсинов, которые будут находиться почти в той же плоскости, что и шестерни 31 модуля синхронизации, но уже с возможной повышающей редукцией частоты вращения сельсинов 39, а другая ответная часть сельсинов 39, как впрочем, и сам заявленный ДВС, могут быть, например, размещены в составе беспилотного летательного аппарата (БПА) с аэродинамической обтекаемой поверхностью (фиг. 9-11) и обеспечивать изобретению перспективное промышленное применение.