ДВУХТАКТНЫЙ ТУРБОДИЗЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ Российский патент 1996 года по МПК F02B53/00 

Изобретение относится к двухтактным турбодизелям и может найти применение в народном хозяйстве при значениях эффективной мощности N_эф 100-5000 л. с.

Турбодизель это газотурбинный двигатель, камера сгорания которого заменена на четырехтактный или двухтактный дизель.

Газотурбинный двигатель может иметь вал отбора эффективной мощности. Предлагаемый турбодизель выполняется с валом отбора эффективной мощности.

Известные двухтактные турбодизели [1] имеют следующие недостатки.

В таких двухтактных турбодизелях имеют место потери мощности из-за привода поршней от коленчатого вала. При этом такие потери составляют до 10% Кроме этого в двухтактном дизеле этого турбодизеля при газораспределении не используется полный ход поршней при наполнении воздуха от компрессора. В таких двухтактных турбодизелях имеют место холостые ходы поршней.

У таких турбодизелей при периодическом наполнении цилиндров воздухом от компрессора могут возникать помпажи компрессора из-за малого запаса газодинамической устойчивости.

Целью изобретения является устранение этих недостатков.

Это достигается выполнением компрессора турбодизеля винтовым, выполнением в двухтактном дизеле турбодизеля клапанов наполнения, с расположением их с внутренней стороны цилиндров, оси которых параллельны и расположены на цилиндре, расположением этих клапанов со стороны нижних мертвых точек поршней, выполнением привода этих клапанов от кулачкового диска, установленного на валу отбора эффективной мощности, выполнением кинематической связи поршней турбодизеля с валом отбора эффективной мощности через ролики, установленные с помощью подшипников качения на вилках штоков поршней, и через кулачки, выполненные на цилиндре, жестко соединенном с валом отбора эффективной мощности, выполнением на вилках штоков поршней, по обе стороны роликов привода поршней других роликов на подшипниках качения, расположением их также в пазах цилиндров, закрепленных неподвижно на корпусе турбодизеля, открытием клапанов выхлопа газов и клапанов наполнения после достижения поршней нижних мертвых точек, задержкой поршней у нижних мертвых точек при вращении вала отбора эффективной мощности, осуществлением при этом процесса дорасширения газов до давления воздуха в цилиндрах, соответствующего давлению воздуха после наполнения от винтового компрессора, осуществлением при этом процесса выхлопа газов в тракт дополнительного расширения газов, осуществлением при этом процесса наполнения цилиндров турбодизеля воздухом от винтового компрессора, задержкой поршней турбодизеля в верхних мертвых точках при вращении вала отбора эффективной мощности для обеспечения процесса сжигания топлива в строго постоянном объеме, при закрытых положениях клапанов наполнения и выхлопа газов.

На фиг.1 показана схема турбодизеля, на фиг.2 то же, составная часть; на фиг.3 разрез А-А на фиг.1; на фиг.4 разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.5 разрез В-В на фиг. 1; на фиг.6 разрез Г-Г на фиг.1; на фиг.7 узел I на фиг.1;на фиг.8 разрез Д-Д на фиг.1.

Винтовой компрессор 1, выполненный роторами, расположен за цилиндрами 2 турбодизеля. Оси цилиндров 2 расположены равномерно по окружности и параллельны друг к другу.

По фиг.1 за винтовым компрессором 1 расположены цилиндры 3 турбодизеля, оси которых также равномерно расположены по окружности, оси этих цилиндров также параллельны друг другу.

В цилиндрах 2 расположены поршни 4 с уплотнительными кольцами. На концах штоков 5 поршней выполнены вилки 6, соединенные жестко с ними.

На вилках 6, на подшипниках качения установлены ролики 7, кинематически соединенные с кулачками цилиндра 8, жестко закрепленного на валу 9 отбора эффективной мощности.

Воздухозаборник винтового компрессора 1 на фиг.1 обозначен позицией 10. Выходные каналы винтового компрессора 1 обозначены позициями 11 и 12.

В цилиндрах 3 расположены поршни 13 с уплотнительными кольцами. Поршни 13 соединены со штоками 14, которые жестко соединены с вилками 15. На вилках 15 на подшипниках качения установлены ролики 16, которые кинематически соединены с кулачками цилиндра 17, жестко соединенного с валом 9 отбора эффективной мощности.

По обе стороны роликов 7 на вилках 6 установлены на подшипниках качения ролики 18 и 19, которые расположены в пазах неподвижных относительно корпуса цилиндров 20 и 21.

На вилках 15 по обе стороны роликов 16, на подшипниках качения расположены ролики 22 и 23, которые также располагаются в пазах неподвижных относительно корпуса цилиндров 24 и 25.

Между цилиндрами 20,21 и 24,25 расположен другой винтовой компрессор 26 с воздухозаборником 27 и выходным каналом 28. Винтовых компрессоров 1 и 26 может быть несколько.

На выходе канала 28 выполнен смеситель 29 воздуха и газов.

В тракте выхода газов из цилиндров 2 установлен канал 30, а в тракте выхода газов из цилиндров 3 установлен канал 31. Общий канал отвода газов из цилиндров 1,3, а также отвода воздуха от винтового компрессора 26 обозначен позицией 32.

Со стороны торцов цилиндров 2 и со стороны торцов цилиндров 3 расположены соответственно клапаны 33 и 34 выхлопа газов. Эти клапаны подпружинены пружинами 35 и 36.

На штоках клапанов 33 установлены ролики 37, кинематически соединенные с кулачковым диском 38, а на штоках клапанов 34 установлены ролики 39, кинематически соединенные с кулачковым диском 40. Кулачковые диски 38 и 40 жестко установлены на валу 9 отбора эффективной мощности.

Клапаны 41 наполнения цилиндров 2 через ролики 42 кинематически соединены с кулачковым диском 43. Эти клапаны расположены в полости 44, сообщенной с выходным каналом 11 винтового компрессора 1. Клапаны 41 подпружинены пружинами 45.

Со стороны кулачкового цилиндра 17, у цилиндров 3, в полости 46 установлены клапаны 47 наполнения. Эти клапаны кинематически через ролики 48 соединены с кулачковым диском 49. Клапаны 47 подпружинены пружинами 50.

В канале 32 выхода газов от цилиндров 2 и 3 и выхода воздуха от винтового компрессора 26 установлена газовая турбина 51, жестко соединенная с валом 9 отбора эффективной мощности. Сопловые аппараты этой турбины на фиг.2 обозначены позициями 52, 53, 54.

Опора этой турбины со стойками обозначена позицией 55. Позицией 56 обозначено выходное сопло.

В кулачковом диске 38 выполнена профильная канавка 57 привода клапанов 33 выхлопа газов (фиг.3).

Кулачки 58 выполнены на цилиндре 8.

Профильная канавка 57 снабжена прямолинейными участками 59, соответствующими положению поршней 4 в нижних мертвых точках.

На поверхностях кулачков 58 выполнены прямолинейные участки 60, соответствующие положениям поршней 4 в нижних мертвых точках.

На поверхностях кулачков 58 выполнены также прямолинейные участки 61, соответствующие положению поршней 4 в верхних мертвых точках. Окна подвода воздуха от клапанов 41 к цилиндрам 2 обозначены позицией 62.

На фиг.3 у цилиндров 2 обозначены процессы для разных положений поршней 4. Сокращенные надписи означают: Сж.т. сжигание топлива, Р.Г. расширение газов, К. Р.Г. Н.В. конец расширения газов, наполнение воздухом, Сж.В. сжатие воздуха.

На фиг. 4 у кулачкового диска 40 показана профильная канавка 63. Эта канавка снабжена прямолинейными участками 64, соответствующими положению поршней 13 в нижних мертвых точках. Кулачки 65 диска 17 снабжены прямолинейными участками 66, соответствующими положениям поршней 13 в нижних мертвых точках. Кулачки диска 17 снабжены также прямолинейными участками 67, соответствующими положениям поршней в верхних мертвых точках. Окна подвода воздуха у клапанов 47 обозначены позицией 68. Сокращенные надписи соответствуют обозначениям фиг.3.

Профиль кулачкового диска 43 привода клапанов 41 наполнения обозначен позицией 69, а профиль привода клапанов 47 обозначен позицией 70 (фиг.5 и 6).

Ролики 16 привода вала 9 через кулачки цилиндра 17 ограничены от отрыва штоков 14 буртиком 71. Ролики 16 снабжены подшипниками 72 качения (фиг.7).

Ролики 22 и 23, укрепленные в пазах цилиндров 24 и 25, снабжены подшипниками 73 и 74 качения.

У штоков 14 установлены сферы 75.

Ролики 22 установлены на подшипниках качения на вилках штоков и в пазах 76 цилиндра 24 (фиг.8). Ролики устанавливаются в пазах с зазором.

Двухтактный турбодизель работает следующим образом.

Двигатель запускается от раскрутки вала 9 отбора активной мощности, подачи топлива в цилиндры в момент нахождения поршней у верхних мертвых точек. При этом в цилиндрах при закрытых положениях клапанов наполнения и выхлопа газов, в сжатом воздухе осуществляется сжигание топлива. Поршни в верхних точках находятся в определенное время при вращении цилиндра 8 с кулачками и цилиндра 17 с кулачками. Это позволяет выполнить турбодизель без специального устройства опережения подачи топлива в цилиндры турбодизеля. Воздух в цилиндры 2,3 поступает от винтового компрессора 1, вход которого через воздухозаборник 10 сообщен с атмосферой.

В двухтактном турбодизеле процессы наполнения цилиндров 2 и 3 воздухом, сжатия воздуха в указанных цилиндрах, сжигания топлива, расширения газов, выхлопа газов и продувки осуществляются за полное перемещение от верхних мертвых точек к нижним мертвым точкам и обратно от нижних мертвых точек к верхним мертвым точкам.

Благодаря профилированию кулачков цилиндров, связанных кинематически со штоками поршней, осуществляют задержки поршней у верхних мертвых точек и у нижних мертвых точек. При этом в предлагаемом двухтактном турбодизеле осуществляются процессы дорасширения газов в цилиндрах до давления воздуха после наполнения, выхлопа газов из цилиндров, продувки цилиндров и наполнения свежим зарядом воздуха при нахождении поршней в нижних мертвых точках.

К выхлопным газам от цилиндров турбодизеля добавляется воздух от компрессора 26. При этом улучшаются температурные условия газовой турбины 51.

В предлагаемом двухтактном турбодизеле отношение n_п/n_ц может быть выполнено равным единице, двум, трем, четырем при определенном количестве цилиндров турбодизеля и взаимном расположении в них поршней.

Представленный вариант выполнения двухтактного турбодизеля соответствует отношению n_п/n_ц 2, где n_п частота перемещения поршней в цилиндрах 2 и 3; n_ц частота вращения цилиндров 8 и 17 с соответствующими кулачками.

Полезная мощность снимается с вала 9 отбора эффективной мощности.

Использование: в производстве и эксплуатации дизельных двигателей. Сущность изобретения: компрессор турбодизеля выполнен винтовым с роторами с установлением осей цилиндров турбодизеля на цилиндрической поверхности равномерно по окружности, выполнением со стороны внутренней части этого цилиндра и со стороны нижних мертвых точек поршней клапанов наполнения воздухом цилиндров от указанного винтового компрессора, кинематическим соединеним этих клапанов с кулачками диска, установленного жестко на валу отбора эффективной мощности, снабжением штоков поршней с вилками, на которых установлены на подшипниках ролики, кинематически соединенные с кулачками цилиндра, также жестко соединенного с валом отбора эффективной мощности, расположением по обе стороны этих роликов на вилках штоков поршней других роликов, расположенных в пазах неподвижных относительно корпуса цилиндров, задержкой поршней у верхних мертвых точек при сжигании топлива и вращении вала отбора эффективной мощности, задержкой поршней у нижних мертвых точек при выхлопе газов из цилиндров, при продувке цилиндров и наполнении цилиндров турбодизеля свежим зарядом воздуха от винтового компрессора при вращении вала отбора эффективной мощности. 2 с. п. ф-лы, 8 ил.

1. Двухтактный турбодизель, содержащий корпус с цилиндрической внутренней полостью, поршневые цилиндры с камерой сгорания, компрессор, вал отбора мощности, отличающийся тем, что компрессор выполнен винтового типа, на валу отбора эффективной мощности установлен газотубринный двигатель, приводной цилиндр с кулачками, кулачки клапанов наполнения воздухом поршневых цилиндров и кулачки выхлопа газов, поршневые цилиндры установлены вокруг цилиндрической внутренней полости равномерно по окружности, клапаны наполнения воздухом от винтового компрессора выполнены со стороны внутренней цилиндрической поверхности у нижних мертвых точек поршней, штоки поршней выполнены с вилками, на которых установлены ролики приводного цилиндра и ролики неподвижных опорных цилиндров, расположенные на подшипниках по обе стороны от роликов приводного цилиндра, а неподвижные опорные цилиндры расположены концентрично стенкам приводного цилиндра. 2. Способ работы двухтактного турбодизеля, включающий смесеобразование, сжигание топлива в поршневых цилиндрах при положении поршней у верхних мертвых точек и при закрытых положениях клапанов наполнения и клапанов выхлопа газов, расширение газов в поршневых цилиндрах при закрытых положениях указанных клапанов при движении поршней к нижним мертвым точкам, выхлоп газов, продувку цилиндров, отличающийся тем, что смесеобразование и завершение процесса сжигания топлива осуществляют путем задерживания перемещения поршней при вращении вала отбора эффективной мощности посредством профилирования кулачков приводного цилиндра, проводят дорасширение газов в поршневых цилиндрах до давления, равного давлению, поступающего в поршневые цилиндры от компрессора воздуха при открытых положениях клапанов выхлопа газов, при этом дорасширение газов, выхлоп газов, продувку и наполнение осуществляют при нахождении поршней у нижних мертвых точек путем задерживания перемещения поршней при вращении вала отбора эффективной мощности посредством профилирования соответствующих кулачков.