Форсований двотактний дизельний двигун

1 Форсований двотактний дизельний двигун, який містить 5 циліндрів, у протилежних сторонах яких виконані впускні та випускні вікна, у кожному циліндрі розміщено по два поршні, наддування дизельного двигуна здійснюється привідним компресором, який через редуктор та механізм передачі кінематично зв'язаний з колінчастим валом, компресор забезпечений всмоктуючим та нагнітаючими повітряними патрубками, масляна система дизеля має нагнітаючий маслонасос для створення високого тиску масла в магістралі та відкачуючий насос для відкачки масла із картера дизеля, який відрізняється тим, що у дизельному двигуні виконано повітряний ресивер, утворений внутрішніми стінками охолоджуючої порожнини та приєднаний за допомогою двох нагнітаючих повітряних патрубків до компресора наддуваного повітря та через впускні вікна прямокутної форми, розташовані в один ряд по колу циліндра, до їх робочих об'ємів, а перемички між впускними вікнами виконані гвинтоподібної форми з внутрішніми поздовжніми каналами, підключеними до охолоджуючої порожнини, та з тангенціальним кутом нахилу їх бокових повітроспрямовуючих поверхонь, визначуваних із співвідношення Винахід відноситься до галузі двигунобудування і може бути використаний у двотактних двигунах внутрішнього згорання (ДВЗ) з газотурбінним наддуванням різних транспортних засобів ВІДОМІ двотактні двигуни внутрішнього згорання з двома поршнями в одному циліндрі (з протилежно-рушійними поршнями), які містять на циліндрах вікна впускного (продувального) та випускного поясів, форсування яких здійснюється за рахунок збільшення тиску наддувального повітря у поєднанні з проміжним його охолодженням, а також за рахунок збільшення середньої швидкості поршня Cm (як правило це збільшення частоти обертання колінвала) [1 3] Основним загальним недоліком відомих рішень є те, що при форсуванні по Cm різко погіршуються показники ресурсу, надійності, збільшується шум та вібрації двигуна Форсування за smaf =(0,75 0,95)fOKz> Де a° - тангенціальний кут нахилу бокових повітроспрямовуючих поверхонь перемичок у середньому перерізі по висоті вікна відносно осі циліндра, f 0 K y - відношення сумарної площі випускних вікон одного циліндра до площі його поперечного перерізу 2 Форсований двотактний дизельний двигун за п 1, який відрізняється тим, що він забезпечений системою періодичної промивки маслом проточної частини компресора наддуваного повітря, що складається з розпилювача, встановленого у всмоктуючому патрубку компресора та підключеним через електроклапан трубопроводом до масляної системи високого тиску дизельного двигуна, причому розпилювач виконаний відцентровим з прохідним перерізом сопла, який забезпечує витрату масла у КІЛЬКОСТІ 15 21 кг/г, при цьому час промивки складає 8 12 хв, а періодичність промивки складає не більш 20 годин роботи дизельного двигуна О 00 ю 57874 рахунок збільшення тиску наддування у поєднанні з проміжним охолодженням повітря приводить до істотного збільшення тепловіддачі у систему охолодження та ускладнення конструкції двигуна, в результаті чого помітно погіршуються його масогабаритні показники Жорсткі вимоги до агрегатної потужності та масо-габаритним показникам дизельних двигунів для воєнно-гусеничних машин приводить до необхідності форсування їх за рахунок збільшення тиску наддування без проміжного охолодження повітря Найбільш близьким рішенням по технічній суті та досягнутому результату являється двотактний дизель з протилежно-рушійними поршнями, форсований до потужності 700 к с за рахунок збільшення тиску наддування без проміжного охолодження повітря [4] Вказаний форсований двотактний дизель має 5 циліндрів, у протилежних сторонах яких виконані впускні та випускні вікна, у кожному циліндрі розташовано по два поршні Наддування дизеля здійснюється приводним компресором, який через редуктор та механізм передачі кінематичне зв'язаний з колінчастим валом, компресор забезпечений всмоктуючим та нагнітаючими повітряними патрубками Масляна система дизеля складається з нагнітаючого маслонасосу для створення високого тиску масла у магістралі та відкачуючого насосу для відкачки масла із картера дизеля Недоліком прототипу є те, що його подальше форсування по потужності з Ne=700 к с до 850 к с шляхом збільшення наддування без проміжного охолодження повітря обмежується різким зниженням ресурсу та надійності його роботи Обумовлено це тим, що при подальшому підвищенні тиску наддування без проміжного охолодження повітря значно піднімається рівень температури наддувального повітря (більш 180°С), у результаті чого деталі повітряної системи (проточної частини компресора наддувального повітря та впускного пояса циліндра, виконаного з трьома рядами отворів діаметром 0 6мм, розташованих по колу) із-за інтенсивного процесу смоло- і нагароутворення покриваються відкладеннями (нагаром) У результаті цього відбувається значне зменшення їхніх прохідних перерізів, що приводить до зниження ККД компресора, зменшенню тиску наддування та витрат повітря через циліндри дизеля Все це призводить до падіння наповнення циліндра свіжим зарядом і зменшенню коефіцієнта надлишку повітря для згорання та, як наслідок, до росту теплонавантаженості деталей циліндропоршневої групи, що у результаті обмежує ресурс та надійність роботи дизеля в цілому Істотно ще й те, що зниження ресурсу та надійності роботи дизеля проявляється тим гостріше, чим вищі параметри наддуваного повітря, тобто чим вище рівень форсування дизеля Задача винаходу- підвищення ресурсу та надійності роботи двотактного дизеля з протилежнорушійними поршнями, форсованого за рахунок збільшення тиску наддування без проміжного охолодження повітря до потужності 850 к с шляхом поліпшення якості продувки та наповнення циліндра повітрям, а також стабілізації параметрів наддувального повітря у процесі експлуатації форсо ваного двотактного дизеля При цьому досягається технічний результат, який полягає в тому, що у форсованому двотактному дизелі, який містить п'ять циліндрів, у протилежних сторонах яких виконані впускні і випускні вікна, у кожнім циліндрі розташовані по два поршні, наддування дизеля здійснюється приводним компресором, який через редуктор та механізм передачі кінематичне зв'язаний з колінчастим валом, компресор забезпечений всмоктуючим та нагнітаючими повітряними патрубками, масляна система дизеля містить нагнітаючий маслонасос для створення високого тиску масла у магістралі та відкачуючий насос для відкачки масла із картера дизеля згідно винаходу уведені такі нові ознаки - у дизелі виконаний повітряний ресивер, утворений внутрішніми стінками охолоджуючої порожнини блоку і приєднаний за допомогою двох нагнітаючих повітряних патрубків до компресора наддуваного повітря та через впускні вікна прямокутної форми, розмішені в один ряд по колу циліндра, до їх робочих об'ємів, - при цьому перемички між впускними вікнами виконані гвинтоподібної форми з внутрішніми поздовжніми каналами, підключеними до охолоджуючої порожнини і з тангенціальним кутом нахилу їх бокових повітроспрямовуючих поверхонь, які визначають із співвідношення ^ =(0,75...0,95)fok z , де Q t - тангенціальний кут нахилу бокових повітроспрямовуючих поверхонь перемичок у середньому перерізі по висоті вікна відносно осі циліндра, ok z _ відношення сумарної площі впускних вікон одного циліндра до площі його поперечного перерізу, - форсований двотактний дизель забезпечено системою періодичної промивки маслом проточної частини компресора наддуваного повітря, що складається з розпилювача, встановленого у всмоктуючому патрубку компресора та підключеним через електроклапан трубопроводом до масляної системи високого тиску дизеля, причому, розпилювач виконано центробіжним з прохідним перерізом сопла, який забезпечує витрату масла у КІЛЬКОСТІ 15 21 кг/г, при цьому час промивання складає 8 12 хв, а періодичність промивки складає не більше 20 годин роботи дизеля На фіг 1 зображено поперечний переріз дизеля по повітряному ресиверу Ресивер 1 дизеля сформований внутрішніми стінками 2 охолоджуючої порожнини 3 блока Ресивер приєднаний за допомогою нагнітаючих патрубків 4 та 5 до компресора наддуваного повітря 6, У ресивері розміщені циліндри 7, У всмоктуючому патрубку 8 установлений СПІВВІСНО працюючому колесу компресора 6 центробіжнии розпилювач 9 з соплом продуктивністю 15...21 кг/г, сполучений через електроклапан 10 трубопроводом з масляною системою високого тиску 11 дизеля На фіг 2 показана розгортка циліндра по впускному поясу Впускні вікна 12 прямокутної форми, які роз 57874 мішені в один ряд по колу циліндра, зєднують ресивер з його робочим об'ємом, розділені перемичками 13, у кожній із яких виконаний внутрішній поздовжній канал 14 для проходу охолоджуючої рідини Канал 14 підключений до охолоджуючої порожнини 3 блока (на фігурі не показано) Впускні вікна 12 виконані з перемінним по висоті тангенціальним кутом нахилу бокових повітроспрямовуючих поверхонь перемичок гвинтоподібної форми На фігурі 3 показано поперечний середній по висоті переріз циліндра по впускному поясу На фігурі 4 показана залежність коефіцієнта наповнення циліндра T|V ВІД вказаних вище геометричних розмірів внутрішніх вікон, яка обґрунтовує вибір приведеного співвідношення На фіг 5 і 6 показано вибір оптимальної продуктивності витрати масла через сопло розпилювача QM та часу tM для ефективної промивки проточної частини компресора наддуваного повітря Дизель працює так Повітря, що нагнітається компресором наддуваного повітря 6, надходить через нагнітаючі патрубки 4 та 5 у повітряний ресивер 1, обмиваючи його поверхню внутрішніх стінок 2 охолоджуючої порожнини 3 Оскільки заявлений форсований двотактний дизель потужністю 850 к с форсований за рахунок використання високого тиску наддування без проміжного охолодження повітря, то температура повітря, що нагнітається в ресивер, доходить до 180°С, що перевищує Температуру ОХОЛОДЖУЮЧОЇ ріДИНИ (^хол води-115 120°С) В результаті контакту повітря з більш холодними стінками його температура знижується на 2О...25°С Наявність двох нагнітаючих патрубків 4 та 5 (двосторонній ПІДВІД повітря) дозволяє рівномірно розподілити потік повітря по поверхні стінок 2, забезпечуючи максимальний ефект охолодження Все це благотворно впливає на покращення наповнення циліндра повітрям (підвищується ЩІЛЬНІСТЬ, тобто КІЛЬКІСТЬ повітряного заряду у циліндрі дизеля) Реалізація на заявленому форсованому двотактному дизелі впускних вікон прямокутної форми, розміщених в один ряд по колу циліндра в КІЛЬКОСТІ 16 вікон, у 14 разів зменшує "змочувальний" периметр впускних вікон у порівнянні з базовим варіантом циліндра, що має три ряди впускних отворів діаметром 06мм в КІЛЬКОСТІ 48 отворів, застосованих на дизелі-прототипі Все це у сполученні з охолоджуваними водою перемичками впускних вікон приводить до повного усунення нагаровідкладень на їх стінках, забезпечуючи тим самим збереження прохідних перерізів на вихідному рівні протягом тривалої роботи форсованого дизеля Запобігання закоксування впускних вікон циліндрів у процесі експлуатації дизеля істотно поліпшує якість продувки і наповнення циліндрів повітрям, що в остаточному підсумку приводить до зниження теплонавантаженості деталей циліндропоршневої групи та, як наслідок, до підвищення ресурсу та надійності роботи дизеля у цілому Необхідний тангенціальний кут нахилу бокових повітроспрямовуючих поверхонь перемичок у середньому по висоті вікна перерізі відносно осі циліндра ( Q t ) забезпечує закрутку повітряного заряду в циліндрі, що багато в чому визначає з однієї сторони якість процесу газообміну (очищення та наповнення циліндра повітрям) та подальшого процесу сумішоутворення - з другої Експериментально встановлено, що максимум значення коефіцієнта наповнення циліндра досягається, якщо Sina? /fokv r L відношення знаходиться у діапазоні 0,75...0,95 (див фіг 4) До того ж виконання бокових повітроспрямовуючих поверхонь перемичок впускних вікон гвинтоподібної форми (з перемінним по висоті вікна a t ) сприяє більш повному витісненню повітрям усуваємих з циліндра відпрацьованих газів (більш стійкий "повітряний поршень") Для стабілізації параметрів наддуваного повітря в процесі експлуатації на заявленому форсованому двотактному дизелі додатково встановлено систему періодичного промивання маслом проточної частини компресора наддуваного повітря Робота системи здійснюється таким чином Періодично, через кожні 20 годин роботи дизеля (вибрана в залежності від умов експлуатації спеціальних танкових дизелів), на розігрітому до робочої температури дизелі при номінальній частоті обертання колінчастого вала на режимі холостого ходу (при стоянці об'єкта) при включенні кнопки 15 електромагніт 10 відкриває клапан і масло із масляної системи високого тиску 11 подається до центробіжного розпилювача 9 і впорскується у впускний патрубок компресора 6 безпосередньо на його робоче колесо Центробіжний розпилювач забезпечує таку швидкість та дрібнодисперсність масла, що впорскується, яка механічно впливає на забруднені деталі, робить очищення поверхонь від нагару і смолистих відкладень Експериментально встановлено (шляхом вибору прохідного перерізу сопла розпилювача), що ефективна очистка проточної частини компресора досягається при подачі масла у КІЛЬКОСТІ 15...21 кг/г Збільшення продуктивності понад 21 кг/г приводить до закоксування та зависання компресорних кілець на поршнях дизеля (через надлишок масла), що знижує надійність роботи поршня, а, значить, і дизеля у цілому Зменшення продуктивності менше 15кг/г знижує ефект очистки поверхонь проточної частини компресора із-за недостатньої КІЛЬКОСТІ масляних крапель, механічний вплив яких на забруднені деталі погіршується (фіг 5) Дослідами також встановлено, що якісна очистка проточної частини компресора здійснюється при подачі масла протягом 8...12 хв при обраній продуктивності 15...21 кг/г Більш тривала (більш 12 хв) промивка практично вже не позначається на якості очистки, промивка менш 8 хв не забезпечує повної очистки проточної частини компресора (фіг 6) Використовуючи приведений метод періодичної промивки проточної частини компресора наддуваного повітря на заявленому форсованому двотактному дизелі, забезпечується стабільний рівень параметрів наддуваного повітря протягом тривалої експлуатації при високих температурах навколишнього повітря Ов > 55°С), що сприятливо позначається на працездатності деталей цилінд 57874 ро-поршневої групи, а, значить, і на підвищенні ресурсу та надійності роботи дизеля в цілому У сукупності дій ВІДМІТНИХ ознак винаходу, зазначених вище, досягається більш високий ресурс та надійність роботи заявленого форсованого двотактного дизеля при порівнянні з дизелем, прийнятим в якості прототипу Література 1 С С Соколов, А А Лазурко, З И Щеглова и др "Конструктивные особенности систем наддува дизелей с высоким и сверхвысоким уровнем фор 8 сирования", ДВС, обзор ЦНИИТЭИтяжмаш, М, 1981, №30, С 2-17 2 Н Н Иванченко, О Г Красовский, С С Соколов, "Высокий наддув дизелей", Л, "Машиностроение", 1983, С 8-19 3 Н С Ханин, Л С Аршинов, "Дизели с наддувом Состояние и перспективы развития", "Автомобильная промышленность", №3, 1990, С 11-13 4 "Двигатель 5ТДФ", Техническое описание Военное издательство Министерства обороны СССР, М , 1977 (прототип) Фіг. 1 Фіг. 2 57874 10 ФІГ. З 1,0 0,9 0,8 I 0,4 I I I 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 ' f0KL 0,4 T W 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 0,875 0,89 0,905 0,912 0,925 0,925 0,910 0,875 0,840 Фіг. 4 57874 11 12 Забруднення проточної частини, % 25 \ 20 1 1 Зона коксування ^ та зависання у компресійних \ 15 \ 10 f У колем 4 \ 5 Лия Г" 10 Сім, кг/г 20 15 Фіг, 5 Забруднення проточної частини, % 25 20 15 10 5 \ > V \ \ tan 4 6 10 12 14 Ім, хв 16 18 Фіг. 6 Комп'ютерна верстка В Рябиця Підписано до друку 05 08 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа,8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна