Форсований всеширотний двотактний двигун внутрішнього згоряння

Винахід відноситься до області двигунобудування і стосується двигунів, що забезпечують потреби колісних і гусеничних машин легкої і середньої категорії, які експлуатуються у будь-яких кліматичних зонах з температурою до плюс 55°С з високими питомими показниками і збереженням високої надійності двигуна в межах заданого ресурсу. Відомо, що форсування двигуна визначається надійністю кривошипно-шатунного механізму і, зокрема, його основним елементом - поршнем. Відомі технічні рішення, що забезпечують надійність функціонування високофорсованого двигуна за рахунок оптимізації температури основного вузла - поршня, шляхом масляного охолодження його найбільш нагрітих елементів. В охоронних документах ФРН №2718811 [1] і №3708376 [2], а також патенті США №5595145 [3] передбачається подача охолодного масла в порожнину, утворену між днищем поршня і корпусом поршня, а також безпосередньо на днище поршня. Зазначений напрямок підвищення надійності поршня за рахунок збільшення тепловідводу в масло забезпечує достатню надійність двигуна при його форсуванні, але обмежує кліматичні зони, де його експлуатація не вимагає додаткових доробок транспортного засобу. Експлуатація зазначеного двигуна в умовах холодного і помірного клімату, де значні градієнти між температурою холодоагенту і температурою навколишнього середовища, не вимагає збільшення фронту радіаторів і не веде до значних енергетичних витратна охолодження масла. Експлуатація в тропічних широтах при температурах навколишнього середовища близьких до плюс 55°С, вимагає збільшення фронту масляних радіаторів і додаткових енерговитрат на підтримку заданої температури масла. Це вимагає збільшення габаритів транспортного засобу і робить транспортні засоби не взаємозамінними для різних кліматичних зон. Відомо інший напрямок підвищення надійності двигуна за рахунок конструктивного удосконалення поршня. Технічні рішення цього напрямку передбачають різні конструктивні виконання теплового бар'єру. Ці конструктивні рішення спрямовані на зниження температури корпуса поршня і зниження жорсткості роботи двигуна за рахунок стабільно високої температури частин поршня, що утворять камеру згоряння. У патенті НДР №200753 [4] тепловий потік від нагрітих частин поршня, що утворять камеру згоряння, переданий у корпус поршня і потім до поверхні тертя, обмежується введенням поділяючої порожнини заповненої матеріалом з малою теплопровідністю. В А.С. СРСР №992776 [5] жароміцна накладка відділена від корпусу поршня вакуумною порожниною. У заявці Великобританії №2196094 [6], для зменшення теплового потоку від накладки, що складається зі сталі та кераміки, до корпуса поршня, передбачена поділяюча їх повітряна порожнина, та на торцевій поверхні корпусу виконані кільцеві канавки. У заявці Японії №6287927 [7] обмеження теплового потоку вирішується шляхом установки теплоізолюючих прокладок і використання теплоізолюючих покрить між голівкою і корпусом поршня. У складеному поршні по А.С. СРСР №1129396 [8] передбачається зменшення теплового потоку від усіх нагрітих елементів головки поршня. При цьому, головка і корпус поршня розділені пакетом пластин, а болти мають теплоізолюючі втулки з кільцевими і подовжніми канавками. Технічні рішення [4, 5, 6, 7, 8] є однотипними тому, що мають однакове функціональне призначення. Дані технічні рішення обмежують тепловий потік від нагрітої камери згоряння до корпусу поршня, поліпшують випаровуваність палива і сприяють додатковому калильному запаленню від нагрітих частин камери згоряння, але не позбавлені ряду недоліків, що можуть виявити себе при високому форсуванні двигуна та з ростом температури навколишнього середовища. Необмежене, тобто нерегульоване нагрівання елементів камери згоряння, може викликати перегрів і коробления жарових накладок, що може призвести до місцевого прориву газу до корпуса поршня і його місцевий перегрів та коробленя. Крім того, коробления накладок може передаватися корпусу поршня. Будь-які коробления корпуса поршня приводять до підвищення місцевих контактних тисків і далі до задиру. Нерегульований ріст температури елементів камери згоряння в двигунах з жаровими кільцями різко знижує працездатність цих кілець. Форсування двигуна і вплив високих температур навколишнього середовища при відсутності оптимального відводу тепла від камери згоряння відбивається на працездатності основного вузла двигуна поршня. Деформації корпуса поршня викликають збільшення місцевих контактних тисків на дзеркало циліндру, що в умовах граничного тертя веде до руйнування масляної плівки. При оптимізації відводу тепла через елементи пари тертя поршень-циліндр у систему охолодження на високофорсованих двигунах, що працюють у різних кліматичних зонах, коли температура масляної плівки на дзеркалі близька до температури коксування, висока надійність роботи двигуна може бути забезпечена гарантованою регенерацією цієї масляної плівки. У сучасному двигунобудуванні відомо і реалізується багато способів підвищення надійності роботи пари тертя поршень-циліндр. Одним з таких напрямків є поліпшення регенерації масляної плівки за рахунок примусової подачі масла в зону тертя. У патенті США №5878708 [9], передбачається упорскування масла через форсунки з пневматичним розпилюванням палива. Повітря подається компресором через регулятор тиску, а надлишок масла, подаваного для змащення компресора, надходить до форсунок, ежектується разом з паливом і використовується для змащення циліндрів. Такий спосіб подачі масла охоплює незначну по висоті поверхню тертя, тому що упорскування масла з паливом забезпечується на підході поршня до ВМТ. Відомо інший напрямок по підвищенню надійності пари тертя. У заявці ФРН №4323262 [10], патенті Росії №2035003 [11], патенті США №5370089 [12] і патенті Японії №58-4165 [13] (а також з ним зв'язаними №№584163 і 58-4164) передбачена подача масла в зону тертя по каналах у циліндрах. Таке технічне рішення не забезпечує рівномірного розподілу масла в зоні тертя і навіть додавання палива до масла не може забезпечити розподіл масла по всій поверхні дзеркала циліндра. Відомо технічне рішення, коли забезпечення надійного функціонування пари тертя вирішується за рахунок малої зміни від температурного впливу контактної поверхні поршня. У заявці ФРН №3603281 [14] поршень, який терморегулюється, обладнано терморегулювальною вставкою, яка розташована у верхній частині корпусу поршня, між канавкою нижнього поршневого кільця та отворами у бобишках поршня. Володіючи більшою піддатливістю в площині перпендикулярної осі поршневого кільця, вставка, при температурному впливі за рахунок спрямованої піддатливості, дозволяє корпусу поршня мати достатню поверхню тертя. Дане технічне рішення в той же час не вирішує ряду інших питань функціонування двигуна на перемінних режимах, при форсуванні і підвищенні температури навколишнього середовища, коли збільшений теплопідвід збільшує тепловий потік з камери згоряння в систему охолодження через корпус поршня. Як прототип прийнятий дизель по патенту Австрії №402329 [15]. Камера згоряння в дизелі-прототипі виконана у вигляді металевої вставки в днище поршня. Зазор між вставкою і днищем поршня герметизовано і цілком заповнено хлористим цинком, нітратом натрію чи нітратом калію. Температура плавлення цих з'єднань лежить у межах 300...400°С, теплопровідність при плавленні зростає в 100 і більш раз. При температурах нижче точки плавлення заповнювач зазору чинить теплоізолюючу дію подібну до повітряного зазору, унаслідок чого синки камери згоряння швидко прогріваються, поліпшуючи випар палива і підвищуючи ефект калильного запалення, що знижує твердість роботи і рівень шуму. Після розплавлювання заповнювача теплопровідність його різко зростає, і поршень працює так само, як поршень нормальної конструкції. У даному прототипі вирішено питання терморегулювання камери згоряння, відсутнє масляне охолодження поршня, що дає збільшення тепловіддачі в масло і негативно впливає на габаритні характеристики транспортного засобу. При сталому режимі роботи двигуна поршень має нормальну геометрію, коли температурний потік від камери згоряння стабілізується, що дозволяє забезпечити задану площу несучої поверхні і нормальні умови роботи пари тертя, якщо температура корпусу поршня .не виходить за припустимі межі. При високому форсуванні двигуна і високих температур навколишнього середовища, без дроселювання теплового потоку від накладки до корпусу поршня, може мати місце перегрів корпусу поршня, його коробления і розрив масляної плівки, а тому що не передбачені засоби регенерації масляної плівки, то задир і вихід з ладу двигуна мають велику імовірність. Усе це робить прототип неприйнятним для роботи двигуна на форсованих режимах у всіх кліматичних зонах. Задача винаходу - створення форсованого усеширотного двотактного двигуна внутрішнього згоряння. Задача винаходу полягає в забезпеченні працездатності двигуна на форсованих режимах у будь-яких кліматичних зонах з температурою навколишнього середовища до плюс 55°С за рахунок надійного функціонування визначальної системи кривошипно-шатунного механізму циліндро-поршневої групи і, зокрема, основного вузла двигуна-поршня без застосування засобів охолодження елементів поршня і без збільшення поверхні теплообміну системи охолодження з навколишнім середовищем, тобто забезпечення високої надійності функціонування двигуна з підвищенням термічного ККД адекватно підвищенню рівня форсування. Поставлена задача досягається наступними новими ознаками: - складений неохолоджений поршень забезпечує зниження тепловіддачі в систему охолодження транспортного засобу за рахунок проставкитерморегулятора, матеріал якої дозволяє регулювати тепловий потік, маючи теплопровідність у 1,25...1,05 разів меншу, ніж у жарової накладки й у 8,5...6,5 разів меншу, ніж у корпуса поршня, забезпечуючи функції регулювання теплопідводу до алюмінієвого корпуса поршня і додаткового жарового запалення суміші від нагрітих поверхонь накладок у всьому робочому діапазоні, при цьому надійність функціонування неохолоджуваного поршня на форсованих режимах і робота двигуна без регульованого зниження потужності при температурах до плюс 55°С забезпечується дозованою подачею розпиленого масла з додаткової ступіні компресору високого тиску, що забезпечує регенерацію масляної плівки на всій робочій поверхні дзеркала за рахунок сполучення функцій маслоподачі з підведенням продувного повітря, напрямок руху якого регламентується тангенціальним закрученням впускних вікон циліндру; - усмоктувальна порожнина додаткової ступіні компресору високого тиску зв'язана з картерною порожниною двигуна в зоні найбільшого барботажу масла, а випускна порожнина додаткової ступіні компресору високого тиску зв'язана з верхнім впускним ресивером в зоні підведення повітря після нагнітача. Запропоновані конструктивні удосконалення забезпечують надійне функціонування форсованого двигуна на всіх експлуатаційних режимах у будь-якій кліматичній зоні. При пуску двигуна в умовах низького ступеня підвищення тиску нагнітачем, поршневий компресор високого тиску забирає з картера звичайне повітря, коли картерні гази з часточками масла ще відсутні, і подає в повітряний ресивер зазначене повітря з підвищеним тиском, що збільшує щільність заряду і забезпечує пуск двигуна без засобів підготовки і полегшення пуску, а при їхній наявності прискорює процес пуску. У процесі розігріву двигуна, коли "холодна" проставка-терморегулятор має саму низьку теплопровідність, відбувається швидкий розігрів жарової накладки, у якій виконана камера згоряння, за рахунок зменшення теплового потоку від накладки до корпусу поршня, що дозволяє підвищити приймальність двигуна і поліпшити екологічні показники (зменшення димності на пуску). У процесі розігріву додаткова ступінь компресора починає подавати в циліндр двигуна газоповітряну суміш з часточками масла, що забезпечує нормальну роботу пари тертя на перехідних режимах. На сталому робочому режимі, коли температура жарової накладки досягає заданих температурних значень, що забезпечують нормальне протікання робочого процесу, теплопровідність проставкитерморегулятора досягає своїх верхніх значень і тепловий потік від жарової накладки до корпусу поршня збільшується, зберігаючи жарові властивості та виключаючи перегрів, забезпечує її працездатність. Навіть на нижній межі своєї теплопровідності проставка-терморегулятор обмежує тепловий' потік від камери згоряння до корпусу поршня, що виключає надмірний його нагрів. Барботаж масла в картерній порожнині, який збільшився в цей момент, дозволяє додатковій ступіні компресору подавати в циліндр розраховану кількість масла з газоповітряною сумішшю, що забезпечує додатковий запас надійності циліндро-поршневої групи. З огляду на те, що подача масла забезпечується протягом усього часу відкриття продувних вікон, воно розподіляється рівномірно по всій поверхні тертя дзеркала циліндру, сприяючи регенерації масляної плівки по всій довжині робочого ходу поршня. Повному охопленню робочої поверхні часточками масла, що подається, сприяє сполучення функції маслоподачі з підведенням повітряного заряду, який одержує тангенціальне закручення від спеціально спрофільованих бічних стінок вікон циліндру і високу швидкість за рахунок значного перевищення Рк над Pt. Зазначені фактори забезпечують часточкам масла високу тангенціальну швидкість, що відкидає часточки олії на поверхню дзеркала. Тому що рух повітряного заряду організовано за законом вихрового шнура, часточки масла розподіляються по всьому обсязі повітряного заряду і відкидаються рівномірно на всю поверхню тертя. Це дозволяє поліпшити структуру масляної плівки і підвищити швидкість регенерації в місцях її розриву перед кожним рухом поршня до ВМТ. Межі зміни теплопровідності матеріалу проставки-терморегулятора 1,25...1,05 і 8,5...6,5 з боку великих цифрових значень визначаються фактичними можливостями матеріалу і необхідністю підвищення швидкості розігріву камери згоряння. Збільшення теплопровідності при переході до сталих робочих температур, яке відповідає меншим цифровим значенням, обмежується можливостями алюмінієвого корпусу сприймати і передавати тепловий потік у систему охолодження. Зазначені обмеження (1,05 і 6,5) забезпечують стабільний температурний рівень корпусу поршня при температурах навколишнього середовища до плюс 55°С та не вимагають збільшення площі радіаторів тих транспортних засобів, у яких традиційно використовуються двигуни сімейства з розмірністю ДН 12/2x12. Регульоване обмеження теплового потоку від жарової накладки до корпусу поршня дозволяє мати термічний і ефективний ККД на рівні кращих сучасних форсованих двигунів і працювати без обмеження потужності від температури навколишнього середовища на будь-яких широтах світу. На фігурі 1 показаний фрагмент двигуна. У остов 1 встановлено циліндри 3 із впускними 6 і випускними 7 вікнами. В циліндрах зустрічно рухаються поршні, що керують процесом газообміну. Поршень впускної сторони .4 керує подачею повітря в циліндр, а поршень випускної сторони 8 керує видаленням відпрацьованих газів. Поршні передають енергію, відповідно, впускному 5 і випускному 14 колінчастим валам, що знаходяться в порожнинах закритих картерами впускної сторони 2 і випускної сторони 13. У процесі роботи двигуна згоряння палива відбувається в камері згоряння, утвореної при положенні поршнів у ВМТ. На фігурі 2 показаний фрагмент поршня. Тепловий потік від жарових накладок 9 (фіг.2), що утворюють камеру згоряння, передається корпусу поршня 12 через проставку-терморегулятор 11 (фіг.2). Забезпечуючи максимально припустиму температуру жарової накладки і жарового кільця 10, проставкатерморегулятор 11 обмежує тепловий потік до корпуса поршня, при цьому обмеження, що сприяє підвищенню ККД двигуна, визначається максимальною температурою корпуса поршня, що не знижує його несучу здатність. Надійна робота· циліндро-поршневої групи на форсованих режимах і в екстремальних температурних умовах забезпечується постійною подачею масла на робочу поверхню дзеркала циліндра. Для подачі масла компресор 17 обладнаний додатковою ступінню 16, яка зв'язана трубопроводом 15 з картерною порожниною двигуна в зоні найбільшого барботажу масла. Добір газоповітряної суміші з часточками масла забезпечується додатковою ступінню на такті усмоктування, а на кінцевій стадії такту стиску масло з газоповітряною сумішшю по трубопроводу 18 подається у верхній повітряний ресивер 19 двигуна безпосередньо після нагнітача 20. Газоповітряна суміш з частками масла перемішується з повітрям стиснутим у нагнітачі і, після відкриття впускних вікон кожного циліндру, часточки масла з повітряним зарядом подаються в циліндр зі швидкістю 40...70м/сек і відцентровою силою відкидаються на дзеркало циліндра, розподіляючись по поверхні від впускних до випускних вікон. Це дозволяє відновити масляну плівку на всій довжині ходу поршнів впускної і випускний сторін. Джерела інформації: 1. Заявка ФРН №2718811, F02F3/00, F16J1/16. Поршень з масляним охолодженням. 2. Заявка ФРН №3708376, F02F3/22. Складений поршень. 3. Патент США №5595145, F01P1/04 (НКВ 123-41.35). Поршень з камерою згоряння, яка охолоджується. 4. Патент НДР №200753, F02F3/02. Поршень. 5. А.С. СРСР №992776, F02F3/02. Складений поршень для двигуна внутрішнього згоряння. 6. Заявка Великобританії №2196094, F02F3/00. Поршень зі зменшеним тепловідводом від днища. 7. Заявка Японії опубл. №6287927, F02F3/00. Теплоізольований поршень. 8. А.С. СРСР №1129396, F02F3/02. Складений поршень двигуна внутрішнього згоряння. 9. Патент США №5878708, F01М1/00. Спосіб змащення циліндрів у двигуні з розподіленим упорскуванням бензину. 10. Заявка ФРН №4323262, F02M9/12. Система змащення. 11. Патент Росії №2035003, F16N7/12. Пристрій для змащення циліндра дизеля. 12. Патент США №5370089, F01М1/16. Система змащення двотактного двигуна. 13. Патент Японії №58-4165, F01M1/02, F01M1/14 (а також 58-4163, F01M1/02, F01M9/00; 58-4164, F01M1/02, F01M1/14). Пристрій для змащення поршня ДВЗ. 14. Заявка ФРН №3603281, F02F3/02, F16J1/01. Поршень, що терморегулюється. 15. Патент Австрії №402329, F02F3/18. Спосіб регулювання температурипоршня (Прототип).