Двигатель внутреннего сгорания "нормас" n 48 мини-трактора скарабей - RU2784142C1

Чертежи

Описание

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. Для упрощения пояснений взаимодействий деталей и элементов, входящих в соответствующий разрез графических материалов, а также для краткого описания взаимосвязи и местоположения при сборке предопределило введение понятия - модуль, которое определяется как полезная и устойчивая совокупностью похожих свойств при конструировании и состыковке узлов, выполненных с возможностью обеспечения работоспособности данного заявленного варианта ДВС «НОРМАС» №48 и совсем неслучайно встроенного в состав мини-трактора СКАРАБЕЙ. Хотя скорее изначально в названии мини-трактора СКАРАБЕЙ (анг. Scarab) так хотелось подметить сам способ передвижения пищевых и жизненных запасов жуками-навозниками, кстати, ведь сами шарики порой значительно превышают размеры самого жука. Скарабей - известное насекомое в мире и древние египтяне ассоциировали в жуке символ вечного движения и созидательной силы Солнца.

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.

Ведь экспериментальные расчеты проходящих в ДВС процессов показали, что полное расширение рабочего тела до того момента, когда при рабочем ходе поршней 16 в цилиндре 17 изменяется вектор движения кривошипа 23, не дает того прироста работы на индикаторной диаграмме ДВС, который может быть обеспечен посредством качественного газообмена и от кинематически связанного расширения выхлопных газов в эспандерном цилиндре 18, что позволяет за счет увеличения площадей рабочих органов реально увеличить передающие усилия и величину крутящего момента сразу после 90° оборота синхронно вращающихся валов 05-07 соответственно от верхней мертвой точки (ВМТ) - и данный факт очень важен.

Почти все варианты ДВС «НОРМАС» с приоритетом, начиная от 25.10.2011 г., введены в состав то дронов, то катера RIB (Rigid Inflatable Boat), то беспилотных мехатронных устройств - как бронетранспортер HAWKSBILL или к примеру стелс-дрон или автономная косилка травы на маршруте «поле-ферма», где увеличивается крутящий момент и уменьшается удельный расход топлива, а при введении инерционных (с пустотами в теле) щек и степень неравномерности вращения ДВС.

Ведь мощность по сути достаточно условный параметр, который отображает полезную работу, совершаемую газами при расширении в цилиндрах 17 ДВС модулей с рабочим ходом в единицу времени за вычетом затрат на преодоление сил трения и для приведение в действие вспомогательных механизмов.

Если попробовать объяснять совсем просто, то крутящий момент - это то, что на самом деле толкает машину вперед, забираясь допустим на горку. К тому же 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

Так случилось, что в октябре 2015 г. стало известно, что американские математики (в том числе Кейси Манн) из Вашингтонского Университета в Ботелле, используя компьютерные вычисления нашли новый 15-й тип формы пятиугольника, элементы которые формируют особый паттерн (узор, мозаику) и новые вариации в системе замощения, внутренние углы которого при этом равны 90°, 105°, 135°, 60° и 150°, а три стороны этого выпуклого пятиугольника из пяти равны половине четвертой.

Графические материалы выполнены с возможностью, позволяющей формировать сам способ построения элементов ДВС посредством соединения листов и четким совпадением основных размещенных точек на координатной сетке, когда на фиг. 1-6 за условный центр круга (часть плоскости, ограниченная окружностью) выбрана точка 00, причем на указанном круге расположено семь точек (05-10 и 13) и они все одновременно являются и начальными точками, где уже явно выявляются первые устойчивые закономерности паттерна (шаблон, узор) и компоновки ДВС, которая содержит или включает по меньшей мере образование и явное применение одинаковых размеров элементов кривошипно-шатунного механизма (КШМ) и не только… ведь точки 05-10 делят указанную окружность на шесть равных частей, а седьмая точка 13 расположена на радиусе перпендикулярном диаметру круга 07-09.

Также совсем неслучайное оказалось и местоположение на координатной сетке одинаково расположенных от осевых центров валов 05-07 и точек узора 01-04, что в итоге, конечно, предопределило наличие прямого участка отвода 33 с установленным игольчатым запорным клапаном, который на фиг. 1-6 не изображен, но предусмотрен при переводе режимов работы модулей 02 и 04 из режима с продолженным расширением в режим работы с рабочим ходом.

С учетом вышеизложенного, пока не произошел перевод, условимся, что точки 01 и 03 соответствуют центрам 01 и 03 объема камер сгорания цилиндров 17 модулей с рабочим ходом, а точки 02 и 04 расположены в центрах 02 и 04 объема полости цилиндра 18 над поршнем 16 в момент начала продолженного расширения, и хотя они могут расположены в разных вертикальных плоскостях, но будут маркироваться также на всех фиг. 1-6 и в описании. Ведь понятно, что данный перевод лишь существенно увеличит крутящий момент и никак не изменит позиции размещенных модулей с привязкой их к соответствующим валам 05-07.

Задача, которая реализуется в изобретении предопределило и выбор двухтактного цикла в заявленном ДВС. При этом возможность последовательного перемещения поршней 16 и совершения тактов выглядит такой - в модулях 01 и 03 с рабочим ходом при расположении поршней 16 в ВМТ обеспечивается при сжатии воздуха и при возможности воспламенения горючей смеси и высвобождения энергии - импульса фронта горения необходимой плотности в камере сгорания цилиндра 17. А вот когда соответствующий поршень 16 модулей 01 или 03 с рабочим ходом успешно преодолевает возможность пройти половину своего рабочего хода - наступает момент перепуска или детандерного редуцирование выхлопных газов в полость над поршнем 16 эспандерного цилиндра 18 - кстати, данные процессы (такты), что происходят в цилиндрах 18 в данный момент изображен на фиг. 2 и 4.

Еще заметим, что сам этот поршень 16 модулей 01 и 03 с рабочим ходом в этот момент времени еще не изменил свой вектор перемещения на противоположный. Направление вектора - импульса, связанного с появлением фронта горения горючей смеси направлена от поршней 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 в цилиндре 17, так и в эспандерных цилиндрах 18, 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.

Причем увеличенные величины крутящего момента создаются не только во время рабочего хода поршней 16 в модулях 01 и 03 с рабочим ходом, а имеется возможность рабочими органами, которыми являются поршни 16, совершать ограниченные возвратно- поступательные перемещения, даже при движении второй части рабочего хода по инерции и производить как бы два рабочих хода в нужном направлении приложения усилий, а ведь при этом произошел только один процесс полного сгорания топливно-воздушной смеси.

И наконец, после окончания рабочего хода в цилиндре 17 через 180° оборота соответствующих валов 05-07 циклы повторяются, так как ДВС двухтактный.

Забегая немного вперед, отметим, что было бы неплохо, чтобы в газопоршневом или дизельном варианте двухтактного ДВС обеспечивалась сама возможность затяжного протекания термодинамического цикла, но с расчетными параметрами.

Поэтому для обеспечения самой возможности быстрого перехода работы модулей 02 и 04 ДВС из режима продолженного расширения в режим с рабочим ходом крышки 14 и цилиндров 18 оснащены унифицированными гнездами 26* для форсунок, которые выполнены с возможностью дожигать вредные компоненты из еще горячих выхлопных газов до нормы Euro 3-4, причем после впрыска, допустим в тот же эспандерный цилиндр 18 того же диметилового эфира, а только потом выпустить их в окружающую среду - т.е. вполне реально создать промышленные, перспективные модули для уже не так далекой водородной энергетики.

А вот для быстрой ориентации расположения идентичных узлов и элементов ДВС, часто похожих по названию (но порой других) на графических материалах и в описании устройства, чтобы сократить повторения введены знаки (*) и (**).

Оговоримся сразу, что на фиг. 1-6 поясняющие разрезы и выноски произведены в разных вертикальных плоскостях. Если условно сравнить последовательность расположения разрезов, то на фиг. 2 разрез звездочки 28* с цепной передачей 29* как бы самый далекий, что расположен от смотрящего на фиг. 1-6, уже затем ближе как бы расположен корпус 32 модуля 01 с рабочим ходом или корпус 32 модуля 04 с продолженным расширением (фиг. 3), а вот только потом расположен сам разрез газораспределительного золотника 21 цилиндрической формы (фиг 3) с врезанными тремя патрубками 20* и сами элементы вариантов введенного синхронизирующего модуля - в данном случае на фиг. 2-3 изображены выборочные разрезы трех цилиндрических шестерен 30 - то есть по сути газораспределительный золотник 21 и три шестерни 30 расположены возможно с некоторым смещением, но в одной плоскости - данное утверждение вполне справедливо и к расположению модулей 02 и 03 (фиг. 4 и 5), причем на заднем плане заметно, кто где находится, и еще - все эти положения размещенных элементов КШМ и встроенных узлов зафиксированы (изображены) в разрезах ДВС в один и тот же момент времени - что очень важно.

На фиг. 1-6 нет разрезов инерционных щек, уложенных с шариками качения в тело корпуса 32 межмодульных перегородок, с возможностью обеспечения синхронного вращения с нижней головкой сборного шатуна 24 относительно оси кривошипа 23 и осей валов 05-07, которые улучшают параметры равномерности вращения ДВС, кстати, деталировка щек представлена в других вариантах ДВС «НОРМАС».

Еще следует отметить, что в данном описании совсем неслучайно, выборочно и преднамеренно из вышеприведенного текста прототипа позаимствованы (выбраны, взяты) названия (словосочетания) введенных элементов заявленного ДВС - это патрубки 20 воздуховпускных и патрубки 19 газовыпускных органов, а также вышеупомянутый газораспределительный золотник 21 цилиндрической формы, кстати, в разрезе тела последнего, как видно на фиг. 3 имеются (встроены с возможностью синхронного вращения) полости 3-х ходового крана 35, отвод 34, полое отверстие, выполненное в форме овоида, ось которого при продолженном расширении совмещается (точнее перпендикулярно) с осью прямого отвода 33.

Данное заимствование словосочетаний позволяет сравнивание похожих позиций и функционала у прототипа, оптимизирует по меньшей мере описание и иногда исключают ненужные повторения. Порой же не так важно, как обозначены (промаркированы) - важнее показать суть позиций, где они встроены, содержаться, расположены, установлены, закреплены при этом они, как правило, могут иметь одинаковые формы или размеры, но все они введены в заявленный вариант ДВС непременно для определенного назначения и предусмотрены совсем неслучайно.

На фиг. 5 в модуле 03 с рабочим ходом изображен момент, когда телом поршня 16 при движении вверх уже закрылось окно с воздуховпускным патрубком 20 и происходит сжатие свежей порции воздуха до температуры воспламенения. Для возможности снижения температуропроводности донышки поршней 16 и сборных крышек 14 цилиндров 17 и 18 изготовлены методом совместного спекания с армированием их пластинами с перфорированными отверстиями, при этом сам наклон пластин к поверхности, которая контактирует с зоной сгорания, равен углу 90° - так как замечено, что боковая поверхность в конструкции пластинчатых теплообменников остается «слегка теплой», хотя внутри теплообменника очень горячий теплоноситель. С той же целью ДВС снабжен системой охлаждения и у юбки поршней 16 как продолжение армированных пластин изготовлен радиатор 31.

Технической задачей на решение которой направлено конструктивное выполнение заявленного варианта двухтактного ДВС является расширение кинематических возможностей ДВС, включающего также и то, что узлы и элементы сборного корпуса 32 смонтированы на базе размещенной в продукте координатной сетки, где выложенный узор состоит из одинаковых выпуклых пятиугольников, внутренние углы которых равны 90°, 105°, 135°, 60° и 150°, а три стороны из пяти которого равны строго половине четвертой стороны упомянутого выпуклого пятиугольника; с возможностью позволяющую посредством введения одного из варианта модуля синхронизации обеспечить кинематическое взаимодействие модулей 01 и 03 с рабочим ходом и модулей 02 и 04, работающих в режиме продолженного расширения выхлопных газов, кстати последние при этом могут быть выполнены и с возможностью дожигать вредные компоненты из еще горячих выхлопных газов или возможен перевод в режим работы модуля с рабочим ходом для этого сборные крышки 14 цилиндров снабжены унифицированными гнездами 26* для форсунок; конструирование ДВС представлено на координатной сетке, центром которой выбрана точка 00 круга, где точки 05-10 делят указанную окружность на шесть равных частей, а седьмая точка 13 расположена на радиусе перпендикулярном диаметру круга 07-09, причем от трех соответствующих точек 05-07 этого круга удалены на равных расстояниях четыре точки 01-04, которые в свою очередь расположены в центрах камер сгорания или объема полости над поршнем 16 при начале продолженного расширения, если учесть и расположение точек 11-12, то можно констатировать, что точки 00-13 не только формируют явно предсказуемый паттерн (узор), где выявляются устойчивые закономерности в компоновке ДВС, которая содержит или включает по меньшей мере образование, но и применение одинаковых размеров крышек 14 цилиндров 17-18, элементов КШМ и не только…; сборные шатуны 24 расположены между парой инерционных щек в конструкции межмодульных перегородок и корпуса 32 и выполнены с возможностью синхронно вращаться как нижней головке шатуна 24 относительно оси кривошипа 23 так и инерционным щекам вокруг осей валов 05-07 и контактируя с шариками качения; для снижения температуропроводности донышки поршней 16 и тело крышек 14 цилиндров 17 и 18 изготовлены методом совместного спекания материала и армированием пластин с перфорированными отверстиями, при этом наклон пластин к поверхности, которая контактирует с зоной сгорания топлива, равен углу 90°, а в районе юбки поршней 16 из концов пластин выполнен радиатор 31 с возможностью обеспечить отвод излишнее тепло в составной картерный объем; Изначально приоритетной задачей является и увеличение степени сжатия рабочего тела, когда реально уменьшается удельный расход топлива и возможна работа ДВС на топливе керосино-газойлевых фракций. И вот дополнительное размещение на вышеупомянутых газораспределительных золотниках 21 воздуховпускных органов перепускания объемов с патрубками 20*, а на внутреннем теле цилиндрических барабанов с их возможностью синхронного вращения - изогнутых отводов 34 и элементов 3-х ходовых кранов 35, а также посредством введенных в систему обратных и регулирующих давление клапанов, байпасных линий (на фиг. 1-6 не изображены) и размещением расчетного числа сильфонов 15 обеспечивается не только пуск ДВС воздухом, но и формируется продувка и наполнение цилиндров 17 свежей порцией воздуха с наддувом при этом реально достигается увеличение плотности свежего заряда воздуха поступающего в рабочий объем.

Так оказалось, что решая вышеперечисленные задачи, невольно приближаешься, чтобы в продукте (заявленном устройстве) оттенить сам способ передвижения пищевых и жизненных запасов жуками-навозниками, ведь сами шарики (фиг. 1), как отмечалось выше - порой значительно превышают размеры самого насекомого. В заявленном устройстве направленная передача усилий на вращения колес мини-трактора СКАРАБЕЙ сознательно выбрана посредством закрепленной на ободе 27 колес цепной передачи 29 с центрами вращения 05 и 06 от двух звездочек 28 или с возможностью синхронного вращения всех звездочек 28 с центрами вращения уже 05, 06 и 00, причем в этот вариант модуля синхронизации с цепной передачей 29** могут быть дополнительно встроены и другие элементы трансмиссии, и размещение трех шестерен 30 при наличии цепных зацеплений 29, 29* и 29** может быть спокойно заменено на другое решение, при этом параметры необходимой синхронизации не изменятся. И еще - на фиг. 1 звездочки 28 изображены, чтобы условно подчеркнуть воздействие на колесо мини-трактора СКАРАБЕЙ именно касательных усилий, причем при передаче тяговых усилий на конкретный большой радиус колеса (Мкр.=F х R) и с возможностью полного контакта при входе их в цепные зацепления 29 и 29**.

Также важно, чтобы при передвижении мини-трактора могут быть использованы почвозацепы с двумя гнездами 26 для креплениями различной формы фрез, причем почвозацепы выполнены с возможностью посредством вмонтированных в обод 27 сильфонов 15* с элементами пневмоцилиндров, при поступлении в которые воздуха определенного давления выдвигаться над габаритами 2-х камерных шин 25 тороидальной формы. Причем воздушная система ДВС посредством сверления двух выборок в теле вала 00 и установленных штуцеров технологически объединена с вышеупомянутыми воздуховпускными органами через (как пояснялось выше) при перепускание объемов воздуха через патрубки 20* газораспределительных золотников 21 и регулирующих давление клапанов.

При переходе модулей 02 и 04 в режим работы с рабочим ходом, когда становится меньше формирование объемов воздуха, так как уже нет движений поршней 16 к ВМТ, когда был возможен дополнительный прежний отбор воздуха, поэтому в ДВС предусмотрено нужное число смонтированных сильфонов 15 (фиг. 2) с элементами пневмоцилиндров (цилиндры с входными отверстиями), причем с разными патрубками 19 и 20, а также регулирующими давление пружинами 22. То есть обеспечивая оптимальную технологичность позиционируется и сама возможность производить разделенный цикл и совершать условно как бы два полноценных рабочих хода в нужном направлении приложения усилий. Что-то очень подобное наблюдается, например, при работе дизель - молота в составе копера, но это же ничуть не мешает ему (коперу) забивать на полную или на всю расчетную глубину железобетонные сваи, а ведь при этом произошел только один процесс, пусть даже разделенный, полного сгорания топливно-воздушной смеси. Контуры ДВС «НОРМАС» №48 также легко встраиваются в составе автономного беспилотного мехатронного устройства - мини-трактора СКАРАБЕЙ, включающего возможную совокупность воздействия на его при введении в это устройство внутренней и внешней системы управления, когда при пуске ДВС воздухом с соответствующими введенными узлами обеспечивается возможность моторизованного передвижения по бездорожью, поворот или его остановка и не только.

Реферат

Изобретение относится к двигателестроению. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания включает узлы корпуса (32), выполненные также с возможностью, позволяющей посредством введения одного из вариантов модуля синхронизации обеспечить кинематическое взаимодействие модулей (01), (03) с рабочим ходом, а также с возможностью их работать на топливе керосино-газойлевых фракций, и модулей (02) и (04), работающих в режиме продолженного расширения выхлопных газов, при этом они могут быть выполнены и с возможностью дожигать вредные компоненты из еще горячих выхлопных газов от модулей (01), (02) или возможен их перевод в режим работы модулей с рабочим ходом, для этого тоже сборные крышки (14) цилиндров (18) снабжены унифицированными гнездами (26*) для форсунок; причем смонтированные сильфоны (15) с элементами пневмоцилиндра и регулирующими пружинами (22) и разными патрубками (19), (20) имеют возможность формировать необходимыми объемами воздушную систему ДВС и полостей 2-х камерных шин (25) посредством сверления двух выборок в теле вала (00), а еще способствовать выдвижению двух гнезд (26), закрепленных на сильфоне (15*) для фрез почвозацепов над габаритами шин (25) колес мини-трактора скарабей. Технический результат заключается в увеличении крутящего момента двигателя. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула