Двигатель внутреннего сгорания "НОРМАС" N 45 бронетранспортера Российский патент 2023 года по МПК F02B41/02 

Заявленная конструкция 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, 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 заявленного ДВС в составе бронетранспортера.

В названии бронетранспортера хотелось включить слово hawksbill - так как это единственного сохранившегося вида морских черепах семейства Chelonidae, находящего под угрозой исчезновения, которая получили это название из за формы своего рта похожего на ястребиный клюв и прочный панцирь которых часть жизни приспособлен к передвижению в водных пространствах океана - чем не природный бронетранспортер, преодолевающий еще и водные преграды ? 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 и при применении топлива керосино-газойлевых фракций.

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 13, 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 и 06 соответственно от верхней мертвой точки (ВМТ) - и данный факт очень важен.

Почти все варианты ДВС «НОРМАС» с приоритетом, начиная от 25.10.2011 г., вмонтированы (введены в состав) то дронов, то катера RIB (Rigid Inflatable Boat), то в составе беспилотных мехатронных устройств - как трактор или допустим автономная косилка травы на маршруте «поле-ферма» и прочие, где четко и закономерно увеличивают крутящий момент и непременно уменьшают индикаторный расход топлива, а также степень неравномерность 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 приведения 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 в виде соединенного пакета из 2-х листов, когда за условный центр синхронизации на координатной сетке выбрана точка 00 на фиг. 1-2, также легко заметить, что при этом ось, проходящая через точку 00 являются осью взаимного зеркального отображения частей координатной сетки, а местами одна или несколько сторон, а также диагональ выпуклого пятиугольника одновременно совпадают и с расположением осей, проходящих через эти же точки.

Чтобы не путаться при пояснениях в описании условимся, что точки маркировки на координатной сетке следующим образом: 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 цилиндров 18 над поршнем 16 в момент начала продолженного расширения, хотя они могут расположены в разных вертикальных плоскостях будут маркироваться также на всех фигурах, в описании и всегда корректно соответствуют местоположению валов 05 и 06 или встроенному (размещенного) в ДВС определенного по назначению модуля.

Задача, которая реализуется в заявленном изобретении предопределило и выбор двухтактного ДВС. При этом возможность последовательности совершения тактов выглядит такой - в модулях 01 и 03 с рабочим ходом при расположении поршней 16 в ВМТ обеспечивается сама возможность рабочего хода - как реальное следствие высвобождения энергии - импульса фронта горения начальной плотности горючей смеси в камере сгорания цилиндра 17, когда соответствующий поршень 16 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 17 и 18 данный момент времени изображены на фиг. 1. 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, то есть по сути в заявленном ДВС имеется возможность рабочими органами, которыми являются поршни 16, совершать ограниченные возвратно- поступательные перемещения, даже движущих часть 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 и 06 циклы повторяются, так как ДВС двухтактный.

Хотя, в заявленной конструкции ДВС предусмотрена и сама возможность повышения мощности, чтобы поддерживались необходимая величина крутящего момента и частота вращения ДВС в определенных параметрах. Для обеспечения самой возможностью быстрого перехода работы модулей 02 и 04 ДВС из режима продолженного расширения в режим с рабочим ходом крышки цилиндров 18 оснащены тоже унифицированными гнездами 09 для форсунок. 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 и чтобы в эспандерном цилиндре 18 осуществлялась возможность впрыска другого компонента сгорания, таких как к примеру - диметилового эфира для дожигание вредных компонентов из еще достаточно горячих выхлопных газов до нормы Euro. Заявленный ДВС выполнен и 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.

Для краткого описания заявленного устройства с целью понятного и еще единого восприятия и для быстрой ориентации расположения узлов и элементов ДВС на графических материалах необходимо сократить повторения, суть обозначений и позиций, к примеру как допустим - кривошипно-шатунный механизм (КШМ).

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.

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.

Оговоримся сразу, что на фиг. 1-2 поясняющие разрезы и выноски, как правило, произведены в разных вертикальных плоскостях. Если условно графически как-то сравнить последовательность уровней расположения разрезов, то на фиг. 2 четко заметно, что разрез модуля 01 с рабочим ходом ближе расположен к смотрящему на фиг. 2, затем расположен оголовок модуля 02 с продолженным расширением, а только потом расположена часть модуля 04 с продолженным расширением, а другая часть расположена уже на фиг. 1, а уже за ней представлен разрез модуля 03 с рабочим ходом причем все положения размещенных элементов КШМ и встроенных узлов зафиксированы в разрезах ДВС в один момент времени - что очень важно.

При этом тоже на фиг. 1-2 четко заметно, что оси перемещений крейцкопфных 15 узлов и тронковых КШМ, воспринимающих направленное давление от рабочих органов располагаются перпендикулярно друг к другу, при этом шатуны 10 и стержни-трубки 11, выполнены из цилиндрической трубки с последующими заглушенными концами, внутреннего крестообразного профиля с четырьмя тонкими перфорированными отверстиями ребрами и с парой осевых центральных отверстий, куда с натягом вставляются концы стрежней с возможностью плотно соединять соответствующие шаровые сочленения узлов КШМ и с возможностью еще и вращаться нижней головке сборного шатуна 10 вокруг кривошипа 13, который в свою очередь еще и вращается вместе с инерционными щеками (на фиг. 1-2 не обозначены), расположенных в межмодульных перегородках, кстати, деталировка инерционных щек представлена в разных вариантах ДВС «НОРМАС».

Еще внутри каждого сборного крейцкопфного цилиндрической формы узла 15 КШМ смонтирован газовый (то есть с рабочим телом от воздуха, метана и до фреонов) компрессор (помпа) и самодействующий обратный клапан 14, встроенный в тело поршня, который расположен (находится, смонтирован) между парой пружин 12 и с возможностью, если воздух, напрямую охлаждать рабочее тело при встраивании его в систему или опосредовательно (косвенно), то есть через использование или через размещение определенным образом патрубков 21 - ведь очевидно, что эффективные параметры наддува достигаются посредством увеличения плотности свежего заряда воздуха поступающего в рабочий объем цилиндров 17 модулей 01 и 03 с рабочим ходом при понижении его температуры.

Изначально приоритетной задачей является и увеличение степени сжатия рабочего тела, когда реально уменьшается удельный расход топлива и возможен перевод ДВС на топливо керосино-газойлевых фракций. Поэтому назначение введенных в ДВС вышеупомянутых воздуховпускных органов сводится не только к тому, чтобы производить пуск ДВС, необходимую продувку и наполнение цилиндров 17 свежей порцией воздуха с наддувом, а также формировать эффективное наполнение и подачу расчетных объемов воздуха в цилиндры 17 посредством введенных в систему обратных клапанов, байпасных участков (на фиг. 1-2 они не показаны), а также расчетного числа сильфонов 23 и прочее.

Хотя совсем неслучайно выполнено и то, что внутренняя полость сильфонов 23 соединяется с малой полостью 22 двухкамерной шины тороидального профиля (формы), а соседняя большая полость 24 двухкамерной шины с врезанными патрубкам 21 может быть использована под газообразные или жидкостные компоненты топливной системы ДВС в составе бронетранспортера.

На фиг. 2 в модуле 01 с рабочим ходом изображен момент, кода телом поршня 16 при движении вверх уже закрылось воздуховпускное окно и происходит сжатие свежей порции воздуха до температуры воспламенения топлива. А для снижения температуропроводности поверхности донышки поршней 16 и тело крышек 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 у пластинчатых теплообменников остается «слегка теплой», хотя внутри теплообменника очень горячий теплоноситель.

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. 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.

В графических материалах на фиг. 1-2 скорее специально не изображены узлы модуля синхронизации вращения ДВС, а элементы трансмиссии представлены звездочками 25 с возможностью синхронно вращаться с цевочным или гребневым зацеплением, частями резинометаллических гусениц 26, снабженных мягкими (то есть с воздушными включениями) почвозацепами, а наружная плотная поверхность которых служит дорожкой для возможного качения по ней узлов корпуса 29 ДВС.

Причем данное некоторое отступление продиктовано и тем, чтобы еще оттенить и вопросы оптимального применения этого ДВС в составе бронетранспортера,

При этом заметим, что данные узлы трансмиссии опосредовательно выполнены с возможностью своеобразно выполнять и дублировать функцию модуля синхронизации ДВС (не обозначен на фиг. 1-2) - это факт.

Еще узлы корпуса 29 ДВС включают и вплотную расположенный нижний ряд брони - назовем ее скорлупой, содержащий необходимые узлы крепления и амортизации при возможности моторизованного передвижения бронетранспортера в условиях снайперского или артиллерийского обстрела, чтобы вывезти раненых и пострадавших из поля боя или из зараженной местности при этом обеспечить защиту ДВС от разрушения и не только… Так как введение в ДВС расчетного числа сильфонов 23 для воздуха, большой полости 24 в двухкамерной шине 28 тороидального профиля (формы) с перегородками, герметично закрепленной и насаженной на обод 27 с врезанными патрубками 21, которые могут быть вполне использованы под газообразные или жидкостные компоненты топливной системы ДВС, а наличие дополнительной герметичной свободной полости между скорлупой и вторым рядом брони обеспечивает устройство возможностью наполнять его горячими выхлопными газами, при этом создается еще большая положительная плавучесть и необходимая неопрокидываемость бронетранспортера для возможности автономного и быстрого преодоления водных преград.

Технической задачей, на решение которой направлено конструктивное выполнение заявленного варианта двухтактного ДВС, является расширение кинематических возможностей ДВС, включающего также и то, что сборный корпус 29 смонтирован из модулей 01 и 03 с рабочим ходом, еще модулей 02 и 04, работающих в режиме продолженного расширения выхлопных газов и с крейцкопфных 15 узлом КШМ, которые при этом могут быть выполнены и с возможностью дожигать вредные компоненты из еще горячих выхлопных газов до нормы Euro 3-4 или возможен быстрый перевод в режим работы модуля с рабочим ходом для этого крышки цилиндров 18 снабжены унифицированными гнездами 09 для форсунок и, наконец, может быть введен модуль синхронизации, причем внутри сборного крейцкопфного цилиндрической формы узла КШМ смонтирован газовый компрессор и самодействующий обратный клапан 14, встроенный в тело поршня, последний расположен между парой пружин 12 и с возможностью напрямую или косвенно охлаждать свежую порцию воздуха, поступающего в цилиндр 17 с наддувом; оси перемещений узлов крейцкопфа 15 и тронковых КШМ расположены под углом 90° друг к другу, еще шатуны 10 и стержни-трубки 11, выполнены из цилиндрической трубки с последующей заглушкой концов трубки, внутреннего крестообразного профиля с четырьмя тонкими перфорированными отверстиями ребрами и с парой осевых центральных отверстий, куда с натягом вставляются концы стрежней с возможностью плотно соединять соответствующие шаровые сочленения узлов КШМ и позволяет вращаться нижней головке шатуна 10 вокруг кривошипа 13, который в свою очередь имеет возможность синхронно вращается вместе и между парой инерционных щек в конструкции межмодульных перегородок и корпуса 29; для снижения температуропроводности поверхности донышек поршней 16 и тело крышек 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, равен углу 90°; а фактом подтверждением взаимосвязанного функционально - конструктивного образующего единства (замысла) сборного устройства служит сам способ создания (осуществления) графических материалов, при этом последние не исчерпывают всю сущность данного изобретения и не ограничивают каким-либо образом возможные горизонты его осуществления, а лишь открывают новые возможности (вариации) в объеме заявленной формулы, ведь, кстати, точка 00 координатной сетки расположена на оси зеркальной симметрии, а точки 01-08 являются и точками сходящих граней мозаики, которая формируется как предсказуемый паттерн (узор) при мощении площади одинаковыми выпуклыми пятиугольниками, внутренние углы которых равны 90, 105, 135, 60 и 150 градусов, а три стороны из пяти которых равны строго половине четвертой стороны, причем точки 01-04 при этом соответствуют и центрам объема камер сгорания или центрам объема полости в момент начала продолженного расширения соответственно.

Контуры ДВС «НОРМАС» №45 также легко встраиваются в составе автономного беспилотного мехатронного устройства - бронетранспорта, включающего возможную совокупность воздействия на его при введении в это устройство внутренней и внешней системы управления, когда при пуске ДВС с соответствующими введенными узлами обеспечивается не только возможность движения или его остановки при моторизованном передвижении, а еще существует тоже возможность автономного и быстрого преодоления водных преград.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Двухтактный двигатель внутреннего сгорания характеризуется тем, что узлы корпуса (29) смонтированы из модулей (03) с рабочим ходом и с тронковым кривошипно-шатунным механизмом (КШМ), а еще и с их возможностью работать на топливе керосино-газойлевых фракций и модулей (04) с продолженным расширением выхлопных газов и с крейцкопфным узлом (15) КШМ. Возможен перевод модулей (04) с продолженным расширением выхлопных газов в режим с рабочим ходом, для этого крышки всех цилиндров снабжены унифицированными гнездами (9) для форсунок. Внутри каждого сборного крейцкопфа (15) цилиндрической формы смонтирован инерционный газовый компрессор со встроенным самодействующим обратным клапаном (14), расположенный между парой пружин (12) и с возможностью напрямую или косвенно охлаждать свежую порцию воздуха, поступающего в цилиндр с наддувом. Оси перемещений крейцкопфного и тронковых КШМ расположены под углом 90° друг к другу. Шатуны (10) и стержни-трубки (11) выполнены из цилиндрической трубки с последующей заглушкой концов, внутреннего крестообразного профиля и с парой осевых центральных отверстий, куда с натягом вставляются концы стержней-трубок (11), чтобы прочно соединять соответствующие сборные шаровые сочленения узлов КШМ. Для снижения температуропроводности поверхности донышек поршней и тело крышек цилиндров изготовлены методом совместного спекания материала и армированием пластин с перфорированными отверстиями, при этом наклон пластин к поверхности, которая контактирует с зоной сгорания, равен углу 90°. Технический результат заключается в увеличении крутящего момента и в уменьшении расхода топлива, а также степени неравномерности вращения ДВС. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания (ДВС), характеризующийся тем, что узлы корпуса смонтированы из модулей с рабочим ходом и с тронковым кривошипно-шатунным механизмом (КШМ) и с их возможностью работать на топливе керосино-газойлевых фракций, модулей с продолженным расширением выхлопных газов и с крейцкопфным узлом КШМ, возможен перевод последних в режим с рабочим ходом, для этого крышки всех цилиндров снабжены гнездами для форсунок, внутри каждого сборного крейцкопфа цилиндрической формы смонтирован газовый компрессор со встроенным самодействующим обратным клапаном, расположенным в поршне, поршень расположен между парой пружин с возможностью напрямую или косвенно охлаждать свежую порцию воздуха, поступающего в цилиндр с наддувом, оси перемещений крейцкопфного и тронковых КШМ расположены под углом 90° друг к другу, а шатуны и стержни-трубки выполнены из цилиндрической трубки с последующей заглушкой концов, внутреннего крестообразного профиля и с парой осевых центральных отверстий, куда с натягом вставляются концы стержней, чтобы прочно соединять соответствующие сборные шаровые сочленения узлов КШМ, причем для снижения температуропроводности поверхности донышек поршней и тело крышек цилиндров изготовлены методом совместного спекания материала и армированием пластин с перфорированными отверстиями, при этом наклон пластин к поверхности, которая контактирует с зоной сгорания, равен углу 90°.

2. ДВС по п. 1, отличающийся тем, что выполнен также с возможностью дожигать вредные компоненты из еще горячих выхлопных газов до нормы Euro 3-4 в эспандерном цилиндре, ДВС встраивается в состав автономного беспилотного мехатронного устройства - бронетранспортера.