МЕХАНИЗМ ГОРШКОВА

Горшков Юрий Александрович
(05.02.1936 – 17.09.2010)
СОВЕРШЕНСТВОВАНИE ПОРШНЕВЫХ МАШИН

1. Двигатель внутреннего сгорания на базе планетарного механизма с фигурной рейкой

Вариант 1. Совершенствование существующих двигателей

(Патент RU 2 299 989 C2, МПК F01B 9/00)

Коленвал (рис 1б) заменен прямым валом с зубчатым колесом (рис 1а). Поршень через отдельную деталь и гибкий сборный шатун (показан темным цветом) связан с фигурной зубчатой рейкой. Диаметр поршня и его ход на обоих рисунках одинаковы. Зубчатая рейка зацеплена с шестерней вала. Корпус имеет направляющие поверхности, перемещаясь по которым опоры обеспечивают зацепление шестерни вала с зубчатой рейкой.

Что это дает:

1. Значительное уменьшение потерь на трение. Нет пары трения пальца в поршне, нет пары трения шатуна в колене коленвала. Значительно меньше трение поршня о стенки цилиндра (угол давления меньше 5º).
2. Значительно лучше смазка подвижных деталей: масло попадает на шестерню вала и с нее разбрызгивается, создавая масляный туман.
3. Имеется возможность уменьшения трения в подшипниках вала путем замены их на роликовые подшипники без внутреннего кольца.
4. Значительно проще сборка – разборка поршневой группы.
   • Поршень надвиганием на отдельную деталь, связанную с шатуном и фиксируется поворотом на 90º.
   • Детали поршневой группы собираются путем последовательного укладывания их одна в другую без использования специального крепежа.
5. Переменная степень сжатия реализуется поворотом поршня по ходовой резьбе отдельной детали, связанной с гибким шатуном. Вращение поршня осуществляются зубчатой шестерней, установленной на отдельной детали внутри поршня. Вращает шестерню продольно подвижный торсион.

Достоинства конструкции

• Зубчатая рейка двигается поступательно. Движение по дуге с одной стороны инициируется корпусом, а с другой стороны корпус воспринимает возникающие силы инерции. Поэтому подвижные детали не создают вибрацию на частоте ходов поршня. Работа сил инерции в каждой точке движения по дуге равна нулю, т. е. силы инерции не мешают движению рейки по дуге. Дополнительные усилия от сил инерции воспринимают опоры и корпус.
• Гибкий сборный шатун компенсирует как термические деформации деталей поршневой группы, так и неточности их изготовления.
• Низкая поперечная жесткость гибкого сборного шатуна (тонкие плоские пружины) обеспечивает небольшое (в пределах люфтов) поперечное смещение зубьев рейки относительно зубьев шестерни вала. Исключается ударное разрушение зубьев и разрушение при попадании небольших твердых частиц между зубьями.
• Пиковое давление газов на поршень в его верхнем положении воспринимается только опорами (рейка под шестерней, а между отдельной деталью, связанной с шатуном, и рейкой имеется зазор). Зубья нагружены только моментом вращения.
• Рейка относительно поршня смещена так, что давление поршня прижимает ее к шестерне вала и опоры разгружаются (до нуля, если угол наклона шатуна 17º).
• Давление поршня и продольная составляющая сил инерции нагружают опоры и нижнюю часть рейки. Поскольку давление на поршень быстро падает при его движении вниз, рейку можно сделать легкой, сохранив необходимую прочность.

Вариант 2. Модернизация двигателей тяжелой техники - Двухпоршневой двигатель с КПД (50-60)% или двигатель-компрессор

Коленвал в двигателе заменяют два вала с шестернями, зацепленными с двумя сочлененными и частично обрезанными зубчатыми рейками поршневой группы. Для синхронной работы валы имеют на концах шестерни, зацепленные с общим колесом – маховиком. Поршень камеры сгорания и поршень камеры РЕГЕНЕРАТОРА связаны с сочлененными рейками подвижно в поперечном направлении (рис. 2).

Рис. 2

Коленвал в двигателе заменяют два вала с шестернями, зацепленными с двумя сочлененными и частично обрезанными зубчатыми рейками поршневой группы. Для синхронной работы валы имеют на концах шестерни, зацепленные с общим колесом – маховиком. Поршень камеры сгорания подвижно (в поперечном направлении) связан с сочлененными рейками. Второй поршень, связан с сочлененными рейками аналогично первому и находится в камере сжатия - расширения с предварительно поджатым воздухом.

В отличие от обычного двигателя, поршень камеры сгорания во время рабочего хода сжимает воздух в камере сжатия – разряжения со скоростью не ограниченной оборотами вала (шестерня вала проворачивается). Энергию валу отдает сжатый воздух на цикле продувки. Остальное время двигатель работает как обычный четырехтактный.

Дополнительные достоинства конструкции

• Меньше износ подвижных деталей поршневой группы, так как нет жесткой ударной нагрузки при рабочем ходе поршня.
• Выравнивается рабочий момент, передаваемый валу, так как меньше отношение начального и конечного давлений предварительно сжатого воздуха в камере сжатия - расширения.
• Меньше износ поршней благодаря отсутствию бокового давления на них.
• Колесо – маховик позволяет без дополнительного редуктора получить нужные для нагрузки обороты.

Что это дает:

За счет уменьшения времени контакта дымовых газов со стенками цилиндра сброс тепла на стенки камеры сгорания в два – три раза меньше, а полезная работа примерно на 20% больше чем в двигателях без свободного рабочего хода. Сброс тепла на стенки камеры сжатия - расширения пренебрежимо мал по причине относительно низкой температуры сжатого в ней воздуха (~500ºоС вместо ~2000ºC в камере сгорания) и меньшего чем в камере сгорания примерно на 30% максимального давления.

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

Оценка полезной работы и энергии сбрасываемой на стенки цилиндра производилась последовательным пошаговым расчетом. Расчетное число ходов поршня принято 3600 в минуту. Ход поршня от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки разбит на 12 временных интервалов (шагов расчета). В каждом шаге расчета вычисляется сброс тепла на стенки камеры сгорания при постоянном давлении, затем падение давления охлажденных дымовых газов при постоянном объеме и затем адиабатическая работа расширения при изменении объема за временной интервал. Движение по дуге шатуна кривошипного механизма не учитывается. (Рис.3, 4)

Рис. 3

Рис. 4

Для двигателя со свободным движением поршня при рабочем ходе произведена оценка зависимости полезной работы и сброса тепла на стенку камеры сгорания от числа ходов поршня в минуту (от 0 до 10000) и от массы подвижных деталей (от 0,3 до 0,6 кг). Результаты показаны на рис 5, 6.

Рис. 5

Рис. 6

Для компрессора сжатие рассчитано с учетом движения шатуна по дуге (рис 7). Степень сжатия принята равной 10. Кривые коленвала и рейки расчетные; кривые колеса коленвала и колеса рейки получены по точкам с компьютерной модели в режиме физической динамики.

Рис. 7

ВЫВОДЫ

1. Однопоршневая конструкция на базе планетарного механизма с фигурной рейкой позволяет простой доработкой существующих двигателей примерно на 15% увеличить их мощность без изменения системы охлаждения и сделать примерно на 10% экономичнее.
2. Однопоршневая конструкция на базе планетарного механизма с фигурной рейкой позволяет доработкой существующих двигателей реализовать переменную степень сжатия.
3. Двухпоршневая конструкция на базе планетарного механизма с двумя сочлененными и частично обрезанными рейками позволяет создать «холодный» двигатель внутреннего сгорания с КПД 50% – 60%, простой конструкцией и системой охлаждения.
4. Рабочие характеристики двухпоршневой конструкции двигателя слабо зависят от оборотов выходного вала, поэтому можно обойтись коробкой передач с двумя передачами: «силовой», определяемой нагрузочной способностью ходовой части двигателя, и «скоростной» определяемой скоростными возможностями двигателя.

О ПРОЕКТЕ

Проект позволяет в ближайшей перспективе сэкономить по России значительное количество электроэнергии на производстве дешевого сжатого воздуха доработанными поршневыми компрессорами. Такие компрессоры без изменения их конструкции и электропривода, будут потреблять примерно в 1,5 раза меньше электроэнергии. Если компрессоры модернизировать, их экономичность возрастет в 2…3 раза.

Потребители сжатого воздуха: металлургия, химическая промышленность и другие отрасли промышленности, использующие пневматическое оборудование и инструмент.

Проект позволяет экономить большое количество бензина и дизельного топлива, за счет повышения примерно на 15% экономичности усовершенствованных поршневых двигателей внутреннего сгорания. Модернизация поршневых двигателей позволит довести их КПД до 60% (сейчас 20%…40%) и экономить до 40% горючего.

Проект является пионерским, поскольку нет публичных исследований особенностей механического движения фигурной рейки по дуге (основы для модернизируемых поршневых машин) и соответственно отсутствуют газодинамические исследования процессов в поршневых машинах с фигурной рейкой.

На автосалоне 2008 года менеджеры зарубежных фирм и коммерческий директор АвтоВАЗа заявили, что для запуска нового автомобильного двигателя кроме затрат на НИР, ОКР и испытания, требуются затраты на оборудование для обновления поточных линий, т. е. нужны большие и «длинные» по сроку окупаемости деньги.

После доклада на научно техническом комитете ГАБТУ МО РФ у военных специалистов появилось мнение о целесообразности проведения исследований по проекту. Но все изменили события в Осетии. Были контакты со специалистами завода поставщика компрессоров для военной техники ММЗ «Знамя». Выяснилось, что если завод-изготовитель проведет НИР, ОКР, испытания и поставит доработанный компрессор, завод-получатель должен испытать технику с новым компрессором. Это большие деньги и лишние хлопоты.

Получается, что в рыночных условиях даже крупные фирмы не могут позволить себе заниматься пионерскими проектами. Для этого необходимы специальные фонды или субсидии государства, контролируемые, например, Госкомитетом по науке и технике и другими Госструктурами. Проявляли интерес к проекту и представители науки. На фото в центре ректор МГУ Садовничий В.А.

Комментарий ректора: «Интересно, но у меня всего лишь университет».

Примерно того же мнения придерживается зав. кафедрой двигателей Бауманского университета Иващенко Н. А.

В МГУ и в Бауманском университете подтвердили отсутствие теоретического анализа механизма с фигурной рейкой и, соответственно, отсутствие анализа газодинамических процессов.

А ведь проект позволяет решить актуальную для России проблему: реализовать компактный привод насосов для нефтяных скважин, который легко укрыть от атмосферных осадков и длительно эксплуатировать без обслуживания.

2. ПРИВОД НАСОСА НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН

(патент № 2252349 - привод насоса нефтяных скважин - 2 х 2,5 метра, сила 50 тонн)

Известно огромное количество изобретений, предлагающих замену кривошипно-шатунного механизма. однако ни одно из них не нашло широкого применения в приводах насосов из-за сложности, большого количества подвижных элементов и не технологичности конструктивных решений.

В проекте представлен простой привод насоса нефтяных скважин без кривошипа, замененного зубчатым планетарным механизмом с фигурной рейкой.

Что это дает:

1. новый привод насоса для нефтяных скважин с планетарным механизмом можно собирать в заводских условиях и доставлять на место окончательного монтажа двумя крупными узлами: один – оборудование на монтажной площадке, другой - планетарная рейка.
2. блочная конструкция упрощает и удешевляет ремонт привода.
3. привод насоса нефтяных скважин с планетарным механизмом в два три раза легче, проще и компактнее кривошипно-шатунного привода.
4. жесткая связь рейки со штоком насоса позволяет использовать насос с двухсторонним рабочим ходом.
5. оптимальное уравновешивание привода насоса плюс зубчатая рейка позволяют использовать редуктор с меньшим передаточным отношением и двигатель меньшей мощности, удешевляя привод и его эксплуатацию.

ИНФОРМАЦИЯ О РАЗРАБОТАННОЙ КОНСТРУКЦИИ

На рисунке 8 представлен привод насоса нефтяных скважин с допустимой нагрузкой 50 тонн (модуль зуба 12, разность удвоенного числа зубьев полудуги рейки и числа зубьев колеса механизма 7, масса рейки менее 500 кг). вертикальный ход принят равным 2,5 метра (ограничен только высотой стоек). размер монтажной площадки 2,5 на 2 метра. высота стоек 3 метра (пропорциональна ходу). есть вариант более компактной конструкция планетарного механизма.

Компактный монтаж оборудования позволяет укрыть его от атмосферных осадков. Круглые стойки позволяют использовать лебедки для подъема монтажной площадки с оборудованием на месте установки.

  Copyright © КРИАМИД