Двотактний двигун внутрішнього згоряння з зустрічно рухомими поршнями

Реферат: UA 120800 U UA 120800 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до машинобудування і може бути застосована для двотактних двигунів внутрішнього згоряння з зустрічно рухомими поршнями (ЗРП), є єдиними конкурентними українськими двигунами. Відомий двотактний двигун внутрішнього згоряння з ЗРП, з яких один керує впуском повітря, а другий - випуском відпрацьованих газів, при цьому кривошипи поршнів, розміщених в одному циліндрі зміщують на кут (в подальшому кут відставання або кутове зміщення), який перевищує розгорнутий на 10-20 градусів (1). Двигуни характеризуються високою якістю процесів очисткинаповнення, сумішоутворення. На них відсутні клапани і головки циліндрів, зменшена тепловіддача в воду і масло. Вони добре врівноважені. Двигуни дають можливість одержати високу потужність при помірних габаритах. Проблемою двигунів є створення надійної конструкції випускного поршня, який більшу частину робочого шляху омивається гарячими газами. По цій причині відомі тільки окремі успішні типи цих двигунів, - німецький авіаційний ЮМО, американський тепловозний ФЕРБЕНКС-МОРЗЕ, англійський танковий ЛЕЙЛАНД, українські тепловозні 2Д100, 10Д100 і танкові 5ТДФ, 6ТД-1, 6ТД-2 (прототип). 6ТД-2 потужністю 1200 к. л. був створений в 80-х роках минулого століття і до сьогодні є одним з найкращих в світі танкових двигунів. Він встановлений на новітній український танк ОПЛОТ. Проте, сучасний танк потребує додаткових систем захисту, що збільшує його масу, а значить вимагає підвищення потужності двигуна. Основні конкуренти (ЛЕОПАРД-2, АБРАМС, ЛЕКЛЕРК, МЕРКАВА) мають 1500 сильні двигуни Двигун 6ТД-2 потужністю 1200 к.с був створений на базі двигуна 6ТД-1 потужністю 1000 к. с шляхом підвищення тиску наддування, що дало можливість подати в циліндри більше повітря, необхідного для згоряння такої кількості палива, яка забезпечує реалізацію заявленої потужності, Для подальшого підвищення потужності (6ТД-3) був вибраний шлях охолодження надувного повітря. Спочатку була заявлена потужність 1500 к.с (на 25 % вища в порівнянні з 6ТД-2), проте реально вдалося досягти тільки 1400 к.с. При цьому, цей шлях має ряд недоліків: - збільшує тепловіддачу в воду і створює додатковий опір на вході в циліндр - вимагає збільшення габариту двигуна для розміщення радіатора між компресором і циліндром, а також розміщення ще одного танкового радіатора і складного двоконтурного охолодження. Застосування охолодження надувного повітря автори двигуна мотивували тим, що підвищення тиску наддування до рівня більшого, ніж в 6ТД-2, недопустимо збільшить навантаження двигуна і зменшить щільність надувного повітря (3). Суть корисної моделі полягає в підвищенні потужності двигуна 6ТД-2 в незмінних габаритних розмірах до рівня потужності вищої, ніж реалізована в 6ТД-3, не охолоджуючи надувне повітря, суттєво не збільшивши при цьому ні максимальне навантаження на двигун, ні тиск надувного повітря. Обмеження максимального навантаження на двигун досягається наступним чином. В двотактному двигуні з ЗРП для забезпечення газообміну необхідно, щоб при переміщені поршнів до зовнішніх мертвих точок, при ще високих значеннях тиску в циліндрі, випускні вікна відкрити раніше, з тим, щоб до моменту відкриття впускних, тиск в циліндрі, за рахунок збільшення об'єму і випуску частини газів, знизився до рівня тиску повітря перед впускними вікнами. Більш пізнє відкриття впускних вікон досягається їх розміщенням на більшій відстані від форсунок, ніж випускних, і відставанням впускного колінчатого вала від випускного. В літературі по ДВС кут відставання становить 10…20 градусів. Але ж, мінімальне з зазначених, десятиградусне кутове відставання в двигуні 6ТД приводить до того, що з випускного колінчатого вала знімається 0,7, а з впускного 0,3 крутного моменту (2). Значно більше навантаження випускного вала пояснюється тим, що випускний поршень більше часу находиться під дією максимального індикаторного тиску. Збільшення потужності збільшує максимальний індикаторний тиск і зміщує індикаторну діаграму від точки найменшого об'єму, що приводить до більш інтенсивного росту механічного і теплового навантаження на випускну сторону. Так в двигуні 6ТД-2 з випускного і впускного вала знімається відповідно 0,75 і 0,25 крутного моменту. Подальше підвищення потужності приводить до ще більшої нерівномірності навантаження на вали і, відповідно, на поршні. Таким чином, при даному куті зміщення випускний поршень, який навантажений вище впускного і обмежує потужність двигуна, при форсуванні навантажується ще інтенсивніше в порівнянні з впускним. Очевидно, що при нульовому кутовому зміщенні навантаження на колінчаті вали однакове. Звідси, зменшення кута зміщення дає можливість підвищити потужність, при збереженні рівня навантаження випускного поршня. Моделювання руху поршнів в циліндрі показало можливість зменшення кута зміщення до 5…6 градусів. При меншому куті зміщення виникають проблеми з забезпеченням ущільнення над поршневого простору впускного поршня при його рухові в районі зовнішньої мертвої точки, оскільки перенесення вікна зменшує відстань до кінцевих вирізів. Для двигуна 6ТД-1 потужністю 1000 к.с оцінити ефективність зменшення кута зміщення 1 UA 120800 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 можна таким чином. При десятиградусному куті зміщення з випускного валу знімається 0,7, з впускного 0,3 крутного моменту двигуна. При нульовому зміщенні на валах по 0,5 крутного моменту. Для п'ятиградусного кута зміщення, в допущенні пропорціональної залежності розподілення моментів від кута, з випускного вала буде зніматися (.7+.5)/ 2=0.6, а з впускного (.3+.5)/2=0,4 крутного моменту. Тому зменшення кута дає можливість зменшити навантаження на випускний колінчатий вал (в.7/.6=1,16 рази) за рахунок збільшення навантаження на впускний. Природно, що при цьому зменшиться навантаження випускного поршня за рахунок збільшення навантаження впускного. Якщо врахувати, що при підвищенні потужності до 1200 к.с. в 6ТД-2, максимальний тиск згоряння зріс в 1,07 рази (3), зниження навантаження на випускний поршень в 1,16 рази є суттєвим. Таким чином, зменшення кутового змішення є ефективним засобом зниження навантаження на випускний поршень, міцність якого обмежує підвищення потужності. Збереження кута відставання закриття впускних вікон відносно випускних при зменшенні кута зміщення конструктивно досягається або приближенням випускних вікон до форсунок або віддаленням впускних вікон від форсунок, або комбінацією цих переміщень. Величина цих переміщень становить кілька міліметрів (визначається рухом поршнів в районі вікон при обертанні колін валів). При зменшенні кута зміщення необхідно провести наступні конструктивні зміни. В циліндрі зміщуються вікна, при цьому їх розмір і конфігурація не змінюються. Таким чином, зменшення кутового зміщення дає можливість збільшити потужність двигуна, не збільшуючи максимальне навантаження на нього, або знизити максимальне навантаження на двигун при збереженні його потужності. Наддування двигуна здійснюється привідним турбокомпресором, що крайнє не раціонально по наступних причинах. При збільшенні обертів двигуна до пускових, стартерові приходиться розганяти крім інерційних мас власне поршневого двигуна також в рази більші інерційні маси компресора і турбіни. Це погіршує пускові властивості двотактного двигуна, які і так поступаються чотиритактному. На перехідних режимах робочого діапазону оберти компресора і турбіни вимушено змінюються відповідно до зміни обертів колінчатих валів, тому частина потужності поршневого двигуна витрачається на подолання інерційності цих елементів. При збільшенні обертів поршневому двигуну потребується пропорційне збільшення подачі повітря, в той час, як відцентровий компресор при цьому відбирає потужність, пропорційну кубу збільшення обертів. Ця потужність на високих обертах витрачається на надмірне підвищення тиску наддування, при цьому підвищується коефіцієнт надлишкового повітря, а також, природно, температура стиснутого повітря. На високих обертах реалізується надмірний тиск наддування, який не потрібний для нормальної роботи двигуна. В той же час на низьких робочих обертах двигун змушений працювати при низьких значеннях коефіцієнта надлишкового повітря, що приводить до погіршення протікання робочого процесу. Значно краще узгоджується з роботою поршневого двигуна комбіноване двоступінчате наддування, при якому повітря послідовно стискується в турбокомпресорі і в привідному нагнітачі. Оскільки потужність турбіни залежить від температури і кількості вихлопних газів, діапазон робочих обертів турбокомпресора значно вужчий, в порівнянні з привідним, при цьому на високих обертах робочого діапазону поршневий двигун забезпечується достатньою кількістю повітря при значно нижчих обертах вільного турбокомпресора в порівнянні з привідним. Тому не створюється надмірний тиск наддування, зменшується навантаження і на поршневий двигун, і на компресор, і на турбіну. На режимах пуску і низьких обертів робочого діапазону двигун забезпечується повітрям від привідного нагнітача. З досвіду експлуатації двигуна 10Д100 з ЗРП з двоступінчатим наддуванням вільним турбокомпресором і нагнітачем, для останнього достатньо чверті спільної потужності наддування (4). При такій схемі наддування, в порівнянні з прототипом, знижуються механічне і температурне навантаження на всі елементи комбінованого двигуна, за рахунок зниження максимальних обертів компресора і турбіни, зниження максимального тиску і температури наддування, більш сприятливих значень коефіцієнта надлишкового повітря для діапазону низьких і високих обертів поршневого двигуна. Також покращується пуск і робота на перехідних режимах, оскільки зміна обертів колінчатих валів супроводжується зміною обертів тільки нагнітача, момент інерції якого на порядок менше моменту інерції привідного турбокомпресора. Таким чином, зменшення кутового зміщення до 5…6 градусів і здійснення двоступеневого наддування вільним турбокомпресором і привідним нагнітачем дозволяє підвищити потужність, не змінюючи при цьому габарити, суттєво не збільшуючи тиск наддування і максимальне навантаження на двигун. При збереженні потужності зменшення кутового зміщення і двоступеневе наддування підвищить надійність і довговічність двигуна за рахунок зниження навантаження на нього, Корисна модель може бути використана для 3 і 5 циліндрових двигун Джерела інформації: 2 UA 120800 U 5 1. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей/ Д.Н. Вырубов, Н.А. Иващенко, В.И. Ивин и др.; под ред. С.А. Орлина, М.Г. Круглова. - М.: Машиностроение, 1983. - 372с. 2. Двигатель 6ТД. Техническое описание. - М.: Военное издательство. 1988. - 144 с. 3. Н.К. Рязанцев. Моторы и судьбы. - ХНАДУ, 272с. 4. Тепловозные двигатели внутреннего сгорания/ А.Е. Симпсон, А.З. Хомич, А.А. Куриц и др. - М.: Транспорт, 1987. - 536 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 15 Двотактний двигун внутрішнього згоряння з зустрічно рухомими поршнями, з двома колінчатими валами, з яких один управляє пуском свіжого повітря, а другий випуском відпрацьованих газів, який відрізняється тим, що з метою підвищення потужності в обмежених габаритах, кут відставання першого вала від другого становить 5…6 градусів, а наддування здійснюється двоступінчатим компресором, при цьому перший ступінь приводиться в рух турбіною, а другий колінчатими валами. Комп’ютерна верстка О. Рябко Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3