Спосіб конвертації дизелів у газові двигуни з іскровим форкамерно-факельним запалюванням

Спосіб конвертації дизелів у газові двигуни з іскровим форкамерно-факельним запалюванням, що полягає у зніманні форсунки та встановленні на її місце складеного вузла із змонтованими у ньому форкамерою із свічкою запалювання та клапаном для впуску газу, який відрізняється тим, що шахту форсунки використовують як додаток до об'єму форкамери, при цьому об'єм форкамери та об'єм форсункової шахти коригують із ступенем стиску двигуна, залежно від форми шахти та/або форми форсунки та її кріпильних елементів. UA (21) u200913986 (22) 30.12.2009 (24) 27.12.2010 (46) 27.12.2010, Бюл.№ 24, 2010 р. (72) СКАЛИГА МИКОЛА МИКОЛАЙОВИЧ (73) ЛУЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ (56) UA 32397 U, 12.05.2008 UA 24970 U, 25.07.2007 SU 767380 A, 30.09.1980 RU 2167316 C2, 20.05.2001 RU 2176737 C2, 10.12.2001 RU 2210677 C2, 20.08.2003 RU 2240429 C1, 20.11.2004 US 4303045 A, 01.12.1981 US 4368702 A, 18.01.1983 US 5222993 A, 29.01.1993 GB 459804 A, 15.01.1937 GB 467818 A, 18.06.1937 C2 2 (19) 1 3 процесу. Для запобігання передчасного займання і детонаційного згоряння збагаченої суміші у форкамері її охолоджують водою з системи охолодження двигуна. З цією ж метою, під час впуску, струмінь газу, що надходить крізь автоматичний впускний клапан, направляється на електроди свічки. Недоліком цього способу є вузький діапазон дизелів, розміри форсункових шахт та установочних місць яких дозволяють використати його повною мірою. В одних випадках розмістити на місці знятої форсунки вузол форкамери, що мав би достатній об'єм та оптимальні конструктивні форми для забезпечення перебігу робочого процесу, не дозволяє розмір установочного діаметра шахти. В інших - цьому можуть перешкоджати спосіб кріплення форсунки та конструкція головки циліндрів. Крім того, форма і розміри форсункових шахт не завжди дозволяють сформувати сорочку охолодження для форкамери необхідних робочих параметрів. Найбільш близьким за технічною сутністю є спосіб конвертації дизелів у газові двигуни з іскровим форкамерно-факельним запалюванням. [Див.: Двигатели внутреннего сгорания: системы поршневых и комбинированных двигателей. Учебник для вузов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» / С.И. Ефимов, Н.А. Иващенко, В.И. Ивин и др.; Под общ. ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1985. - 456с., ил., (стор.229, рис.207,а)]. Цей спосіб передбачає знімання форсунки, встановлення на місце знятої форсунки окремого вузла, в якому розміщені форкамера із свічкою запалювання і автоматичний клапан для впуску газу. Після конвертації дизелів у газові двигуни з іскровим форкамерно-факельним запалюванням цим способом робота такого газового двигуна складається з наступних операцій. Невеличка порція збагаченої суміші займається від іскри свічки, що встановлена у додатковій камері малого об'єму (форкамері). Виникле полум'я з великою швидкістю викидається у вигляді факела в основну камеру згоряння. Факел полум'я слугує потужним багатоточковим джерелом займання і додаткової турбулізації основної порції горючої суміші у надпоршневому просторі, що зумовлює швидке згоряння збіднених сумішей при =3 та більше. Це дає змогу, крім підвищення економічності двигуна на часткових навантаженнях при застосуванні іскрового запалювання, підвищити допустимий ступінь стиску до значень, близьких або рівних ступеням стиску дизелів. Суттєвим недоліком цього способу є вузький діапазон дизелів, розміри форсункових шахт та установочних місць яких дозволяють використати його повною мірою. В одних випадках розмістити на місці знятої форсунки вузол форкамери, що мав би достатній об'єм та оптимальні форми для забезпечення перебігу робочого процесу, не дозволяє розмір установочного діаметра шахти. В інших - цьому можуть перешкоджати спосіб кріплення форсунки та конструкція головки циліндрів. Завданням, на вирішення якого спрямований винахід, що заявляється, є отримання нового технічного результату, що виражається у забезпечен 93001 4 ні можливості розширення діапазону дизелів, розміри форсункових шахт та установочних місць яких не дозволяють застосувати його повною мірою, шляхом використання об'єму форсункової шахти як додаткового об'єму форкамери. Поставлене завдання вирішується наступним чином. У відомому способі конвертації дизелів у газові двигуни з іскровим форкамерно-факельним запалюванням, що полягає у зніманні форсунки та встановленні на місце знятої форсунки складеного вузла із змонтованими у вузлі форкамерою із свічкою запалювання та клапаном для впуску газу, згідно із запропонованим винаходом, шахту форсунки використовують як додаток до об'єму форкамери, при цьому об'єм форкамери та об'єм форсункової шахти коригують із ступенем стиску двигуна, залежно від форми шахти та/або форми форсунки та її кріпильних елементів. Співставний аналіз запропонованого технічного рішення у порівнянні з відомими на дату подачі заявки рішеннями показує, що за сукупністю суттєвих ознак запропонованому способу конвертації дизелів у газові двигуни з іскровим форкамернофакельним запалюванням притаманні новітність та суттєві відмінності, тому що він не має з будьякими відомими заявнику технічними рішеннями ідентичних відрізняльних ознак в їх сукупності. На приведених нижче кресленнях зображено варіанти функціональної схеми для реалізації запропонованого способу конвертації дизелів у газові двигуни з іскровим форкамерно-факельним запалюванням: Фіг.1 - фрагмент головки циліндра газового двигуна з іскровим форкамернофакельним запалюванням, конвертованого з дизеля, що має фланцеве кріплення форкамери; Фіг.2 - те саме, вигляд зверху; Фіг.3 - фрагмент головки циліндра газового двигуна з іскровим форкамерно-факельним запалюванням, конвертованого з дизеля, що має різьбове кріплення форкамери. Схема на Фіг.1 включає наступні основні елементи: шахту форсунки 1; форкамеру 2; іскрову свічку запалювання 3; блок клапана подачі газу 4; посадочну ділянку форсункової шахти 5; установочну ділянку форсункової шахти 6; ділянку форсункової шахти для розміщення розпилювача форсунки 7. Схема на Фіг.2 включає ті ж самі основні елементи і фланець 8 кріплення форкамери. Схема на Фіг.3 включає наступні основні елементи: шахту форсунки 1; форкамеру 2; іскрову свічку запалювання 3; блок клапана подачі газу 4; різьбову посадочну ділянку форсункової шахти 9; установочну ділянку форсункової шахти 6; ділянку форсункової шахти для розміщення розпилювача форсунки 7. Встановлення в головці циліндрів замість форсунки форкамери з іскровою свічкою запалювання та з арматурою живлення газовим паливом, виконаної у вигляді клапана для впуску газу. Для встановлення форкамери з іскровою свічкою запалювання в різних типах базових дизелів пов'язане з певними складнощами, а саме: геометричні параметри серійно виготовлюваних форсунок суттєво відрізняються, а й відповідно, відрізняються і 5 форми та об'єми форсункових шахт. Після знімання форсунки у форсунковій шахті утворюється вільна порожнина, при цьому просте знімання форсунки для отримання такої порожнини, не завжди є позитивним явищем, тому що наявність утвореної порожнини зменшує ступінь стиску базового дизеля. Саме тому, встановлення форкамери з іскровою свічкою запалювання надає можливість оптимізації перебігу процесу займання та, як наслідок, якісного згоряння газоповітряної суміші в основній камері. Одночасно, при здійсненні операції встановлення форкамери з іскровою свічкою запалювання необхідно формувати такий об'єм форкамери, який дозволив би мати факел займання, що забезпечив би необхідну якість згоряння газового палива в основній камері. Основним засобом формування загального об'єму форкамери є і порожнина, яка утворилася після зняття форсунки і яку можна вважати частиною форкамери, що надає їй додатковий об'єм. Конструктивних можливостей коригування об'єму форкамери є безліч, але істотним параметром повинен бути лише той, що надає можливість утворення факелу такої потужності, який забезпечить оптимальне займання незалежно від форми шахтної порожнини. Наводимо приклади конкретного виконання, в разі конвертації серійних дизелів автотракторного типу з нерозділеною камерою згоряння, із врахуванням того, що форсунки та шахти для їх монтажу мають різні типорозміри. Приклади ілюструються конкретними схемами виконання, що представлені на Фіг.4, 5, 6. Схема на Фіг.4 включає в себе наступні основні елементи: фрагмент циліндра 10 з поршнем; фрагмент головки циліндра 11 з клапанним механізмом газорозподілу та форсунковою шахтою 13, до якої приєднана форкамера 12 з газовим клапаном та іскровою свічкою запалювання. Коригування спільного об'єму форкамери для досягнення необхідної величини ступеня стиску газового двигуна за даних розмірів форсункової шахти 13 здійснюється мінімально: за рахунок профілювання у форкамері 12 порожнини для забезпечення нормальної роботи газового клапана і свічки запалювання, а також - частковим заглибленням корпусу форкамери 12 у порожнину форсункової шахти 13. Схема на Фіг.5 включає в себе наступні основні елементи: фрагмент циліндра 14 з поршнем; фрагмент головки циліндра 15 з клапанним механізмом газорозподілу та форсунковою шахтою 17, до якої приєднана форкамера 16 з газовим клапаном та іскровою свічкою запалювання. Однак, для даного випадку, величина ступеня стиску, навіть із врахуванням додаткового об'єму форсункової шахти 17, залишатиметься високою ( 18) для реалізації оптимального перебігу процесу форкамерофакельного запалювання. При цьому, ймовірна небезпека виникнення детонації і потреба застосовувати спеціальні свічки запалювання. Тобто, виникає необхідність коригування величини ступеня стиску, з метою її зменшення. Коригування спільного об'єму форкамери, для досягнення необхідної величини ступеня стиску газового двигуна, за даних розмірів форсункової шахти 17, здійсню 93001 6 ється за рахунок збільшення внутрішнього об'єму форкамери 16. Форсункова шахта 17, в даному випадку, буде відігравати роль з'єднувального каналу між форкамерою 16 та основною камерою згоряння. Схема на Фіг.6 включає в себе наступні основні елементи: фрагмент циліндра 18 з поршнем; фрагмент головки циліндра 19 з клапанним механізмом газорозподілу та форсунковою шахтою 22, до якої приєднана форкамера 20 з газовим клапаном та іскровою свічкою запалювання. Однак, для даного випадку, величина ступеня стиску, із врахуванням додаткового об'єму форсункової шахти 22, стане низькою ( 7) для реалізації оптимального перебігу процесу форкамеро-факельного запалювання. При цьому, конвертований газовий двигун не матиме прийнятних економічних і енергетичних показників. Тобто, виникає необхідність коригування величини ступеня стиску, з метою її збільшення. Коригування спільного об'єму форкамери, для досягнення необхідної величини ступеня стиску газового двигуна, за даних розмірів форсункової шахти 22, здійснюється за рахунок розміщення у форсунковій шахті 22 коригувальної втулки 21 та профілювання внутрішнього об'єму форкамери 20. Коригувальна втулка 21, в даному випадку, відіграватиме роль посилюючого елемента стінок форсункової шахти 22 та з'єднувального каналу між форкамерою 20 та основною камерою згоряння. Робота газового двигуна з іскровим форкамерно-факельним запалюванням, конвертованого з дизеля, згідно із запропонованим винаходом, за схемою на Фіг.1 (для фланцевого способу кріплення форсунки), здійснюється таким чином. Під час такту впуску здійснюється наповнення основної камери згоряння двигуна зарядом збідненої газо-повітряної горючої суміші крізь відкритий основний впускний клапан. Одночасно з цим, крізь газовий клапан 4 до форкамери 2 надходить газове паливо. Далі, в процесі стиску, коли основний впускний і газовий 4 клапани двигуна закриті, відбувається стиск свіжого заряду. При цьому, в об'ємі форкамери 2 та додатковому об'ємі (установочна ділянка 6) форсункової шахти 1 концентрується збагачена газо-повітряна суміш. В кінці процесу стиску свічка 3 (Фіг.1) подає іскру для займання цієї збагаченої газоповітряної горючої суміші. Виникле полум'я з великою швидкістю викидається у вигляді факела в основну камеру згоряння крізь ділянку 7 форсункової шахти для розміщення розпилювача форсунки, що, в даному випадку, буде відігравати роль з'єднувального каналу. Це спричинить багатоточкове займання і додаткову турбулізацію основної порції горючої суміші у надпоршневому просторі, що дасть можливість швидко спалювати збіднені суміші при =3 і більше. Так як форсунки сучасних дизелів в переважній більшості кріпляться до головок циліндрів фланцевим або різьбовим способом, то робота газового двигуна з іскровим форкамернофакельним запалюванням, конвертованого з дизеля, згідно із запропонованим винаходом, за схе 7 мою на Фіг.3 (для різьбового способу кріплення форсунки), здійснюється таким чином. Під час такту впуску здійснюється наповнення основної камери згоряння двигуна зарядом збідненої газо-повітряної горючої суміші крізь відкритий основний впускний клапан. Одночасно з цим, крізь газовий клапан 4 до форкамери 2 надходить газове паливо. Далі, в процесі стиску, коли основний впускний і газовий 4 клапани двигуна закриті, відбувається стиск свіжого заряду. При цьому, в об'ємі форкамери 2 та додатковому об'ємі (установочна ділянка 6) форсункової шахти 1 концентрується збага 93001 8 чена газо-повітряна суміш. В кінці процесу стиску свічка 3 подає іскру для займання цієї збагаченої газо-повітряної горючої суміші. Виникле полум'я з великою швидкістю викидається у вигляді факела в основну камеру згоряння крізь ділянку 7 форсункової шахти для розміщення розпилювача форсунки, що, в даному випадку, буде відігравати роль з'єднувального каналу. Це спричинить багатоточкове займання і додаткову турбулізацію основної порції горючої суміші у надпоршневому просторі, що дасть можливість швидко спалювати збіднені суміші при =3 і більше. 9 Комп’ютерна верстка М. Ломалова 93001 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601