Двигатель внутреннего сгорания "НОРМАС" N 48 мини-трактора СКАРАБЕЙ Российский патент 2022 года по МПК F02B41/02 F02B73/00 F01B21/02 

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.

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.

1. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания (ДВС), характеризующийся тем, что узлы корпуса (32) смонтированы на основе размещенной координатной сетки, где узор мощения площади выполнен 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 пятиугольника, центром координатной сетки выбрана точка (00) круга, где точки узора (05-10) делят указанную окружность на шесть равных частей, а седьмая точка узора (13) расположена на радиусе, перпендикулярном диаметру круга (07-09), и от трех соответствующих точек (05-07) этого круга, которые одновременно расположены на осевых линиях валов (05), (06), (07), удалены на равных расстояниях четыре точки узора (01-04), которые в свою очередь расположены в центрах камер сгорания модулей (01), (03) или объема полости над поршнем 16 при начале продолженного расширения модулей (02), (04), при этом выявляются полезные закономерности в компоновке ДВС, которые включают по меньшей мере применение одинаковых размеров сборных крышек 14, цилиндров 17-18 и элементов КШМ, а также явно предопределена возможность смонтировать между парами модулей (01 и 02), (03 и 04) прямой отвод (33) с установленным игольчатым запорным клапаном и газораспределительный золотник (21) с врезанными патрубками (20*), внутри которого расположен цилиндрический барабан с возможностью его синхронного вращения вокруг осевых линий валов (11), (12) и размещенными там выборками - отверстие (33) в форме овоида, изогнутого отвода (34) и 3-х ходового крана (35); сборные шатуны 24 расположены между парой инерционных щек в межмодульных перегородках и корпуса (32) и выполнены с возможностью синхронно вращаться нижней головке шатуна (24) относительно оси кривошипа (23), а также щекам вокруг осевых линий валов (05), (06), (07), контактируя с шариками качения.

2. ДВС по п. 1, отличающийся тем, что может быть выполнен 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; 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 монтажа фрез или почвозацепов над габаритами шин (25) колес мини-трактора СКАРАБЕЙ, причем ДВС с полезной многофункциональностью легко встраивается в состав продукта - автономного беспилотного мехатронного устройства, которым по существу является мини-трактор СКАРАБЕЙ.