СПОСОБ РАБОТЫ ДВУХТАКТНОГО ДИЗЕЛЯ Советский патент 1995 года по МПК F02B7/08 F02B33/12 F02B49/00 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к способам работы многотопливных двухтактных дизелей и устройствам для их осуществления.

Известны способы работы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) путем образования топливовоздушной смеси (ТВС) во впускном тракте, сжатия ее в подпоршневой камере, перепуска в рабочую камеру, воспламенения от сжатия, сгорания, расширения и выпуска продуктов сгорания.

Особенностью известных способов является то, что со свежим зарядом воздуха смешивают сразу всю цикловую дозу топлива, а образовавшуюся ТВС затем сжимают в подпоршневой камере без отвода тепла. Вследствие этого происходит разогрев сжимаемой ТВС уже перед подачей в рабочую камеру, возникает опасность детонации смеси. Чтобы избежать этого, степень сжатия в подпоршневой камере не должна быть большой. Кроме этого, коэффициент наполнения как рабочей, так и подпоршневой камер зависит, в частности, от температуры смеси и уменьшается при высоких оборотах. Таким образом в известных способах наполнение цилиндра, а следовательно, мощность и КПД, снижаются на больших оборотах. Также возрастает опасность детонации ТВС в подпоршневой камере.

Известен способ работы двигателя с двухстадийным смесеобразованием, осуществляемый путем подачи топлива одним насосом через разветвленный трубопровод, по которому одну часть цикловой дозы топлива впрыскивают в цилиндр, а другую на поверхность впускного клапана со стороны впускного трубопровода, причем впрыск части цикловой дозы топлива в цилиндр осуществляют перед впрыском дозы топлива на поверхность впускного клапана со стороны впускного трубопровода.

Однако всасывание в цилиндр ранее подогретой во впускном тракте и имеющей пониженную плотность топливовоздушной смеси отрицательно сказывается на наполнении цилиндра, а следовательно, и на эксплуатационных характеристиках двигателя. Недостатком известного способа также является то, что прогрев каждой части топлива происходит в течение ограниченного промежутка времени в одном цикле и на ограниченной поверхности, что не позволяет более полно использовать для подготовки ТВС тепло от сгорания топлива, ушедшее в стенки цилиндра. При таком способе смесеобразования качество подготовки топлива будет сильно зависеть от режима работы двигателя, ухудшаясь на больших оборотах.

Известен способ работы двухтактного дизеля путем испарения в испарительной камере подготовительной части топлива теплом продуктов его сгорания, смешивания паров подготовительной части топлива с продувочным воздухом, нагнетаемым компрессором, продувки надпоршневой камеры цилиндра с подачей в него смеси паров топлива с воздухом, сжатия смеси в цилиндре, впрыска воспламеняющей части топлива в сжатую смесь, воспламенения топлива, его сгорания, расширения продуктов сгорания и выпуска отработавших газов через выпускные окна, управляемые поршнем.

Однако при работе по указанному способу поток свежего заряда в каждом цикле проходит через испарительную камеру, охлаждая стенки камеры и быстро унося очередную порцию паров впрыснутого топлива. А так как глубина протекания физико-химических процессов в топливе и качество смесеобразования зависят от времени теплового воздействия и уровня температур, ясно, что в известном способе не достигается качественная подготовка топливовоздушной смеси. Кроме того, свежий заряд до подачи в цилиндр нагревается как во время сжатия в поршневом компрессоре, так и при прохождении испарительной камеры, что отрицательно сказывается на наполнении цилиндра, а следовательно, на мощностных характеристиках и КПД. Ухудшается КПД двигателя и из-за потерь на сжатие в компрессоре, поскольку разогрев заряда от сжатия ничем не компенсирован. Недостаточно рационально используется в известном способе тепло отработавших газов, так как обогреваемая ими испарительная камера удалена от цилиндра. Таким образом, в известном способе не достаточно эффективно организовано протекание процессов подготовки топлива и наполнение цилиндра, что приводит к снижению его эксплуатационных показателей.

Цель изобретения улучшение эксплуатационных показателей.

Указанная цель достигается тем, что в способе работы двухтактного дизеля путем испарения подготовительной части топлива теплом продуктов его сгорания, смешивания паров подготовительной части топлива с продувочным воздухом, нагнетаемым компрессором, продувки надпоршневой камеры цилиндра с подачей в него смеси паров топлива с воздухом, сжатия смеси в цилиндре, впрыска воспламеняющей части топлива в сжатую смесь, воспламенения топлива, его сгорания, расширения продуктов сгорания и выпуска отработавших газов через выпускные окна, управляемые поршнем, подготовительную часть топлива испаряют в полостях, окружающих надпоршневую камеру цилиндра, смесь паров подготовительной части топлива с продувочным воздухом перед подачей в надпоршневую камеру предварительно перепускают в подпоршневую компрессорную камеру цилиндра и принудительно охлаждают в последней, во время выпуска отработавшие газы тормозят с момента открытия поршнем выпускных окон и до подхода поршня к нижней мертвой точке и ускоряют до момента закрытия поршнем выпускных окон.

Положительный эффект, возникающий при использовании предлагаемого способа, заключается в следующем.

Охлаждение свежего заряда при впуске и сжатии в компрессорной камере способствует повышению коэффициента наполнения и снижению потерь на сжатие в компрессоре, а следовательно, повышению и мощности, и КПД двигателя. Кроме того, при охлаждении паров топлива происходит разделение его на легкие фракции, образующие обедненную ТВС, и тяжелые, осаждающиеся на зеркало цилиндра в зоне действия поршневых колец и обеспечивающие смазку ЦПГ. Такой способ смазки позволяет существенно упростить смазочную аппаратуру, облегчить двигатель, получить экономию моторного масла. Охлажденная при сжатии в компрессоре обедненная ТВС перепускается затем под давлением В рабочую камеру, в результате чего существенно уменьшено влияние температуры стенок цилиндра на коэффициент наполнения цилиндра.

Расположение испарительных полостей вокруг рабочей камеры позволяет более эффективно на большой площади использовать тепло от сгорания топлива, увеличить время теплового воздействия и уровень действующих температур, что дает возможность для более полного прохождения процесса физико-химической подготовки топлива и предпламенных реакций. Достигнутая степень подготовки топлива позволяет реализовать многотопливность в двигателях, работающих по заявленному способу. Кроме этого, использование впрыска воспламеняющей части топлива в среду разогретой от сжатия обедненной ТВС, подготовленной по предлагаемому способу, обеспечивает уменьшение задержки воспламенения, в результате чего снижается жесткость работы дизеля. Следствием этого является уменьшение нагрузок на поршень и преобразовательный механизм, повышение ресурса и возможность снижения металлоемкости двигателя.

Акустические характеристики дизеля улучшены не только за счет уменьшения жесткости работы, но и за счет глушения шума выхлопа путем создания сопротивления в выпускном тракте двигателя на начальном этапе выхлопа. После прохода поршня через НМТ продукты сгорания в выпускном тракте наоборот ускоряют и вплоть до закрытия поршнем выпускных окон отсасывают отработавшие газы из рабочей камеры, в результате чего улучшается очистка цилиндра.

Реализация заявляемого способа позволяет существенно упростить систему охлаждения двигателя, поскольку работа устройства в режиме горячих стенок цилиндра является нормальной и обеспечивает испарение топлива в полостях. При этом впрыскиваемое в испарительные полости топливо исключает перегрев стенок цилиндра.

На фиг. 1 представлен двигатель, работающий по предлагаемому способу, продольный разрез; на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1.

Двигатель, иллюстрирующий осуществление предлагаемого способа, содержит цилиндр 1, поршень 2, разделяющий внутрицилиндровое пространство на подпоршневую рабочую камеру 3 и подпоршневую компрессорную камеру 4. В стенках цилиндра 1 выполнены выпускные окна 5, управляемые поршнем 2. Выше выпускных окон 5 в окружающих рабочую камеру 3 двухслойных стенках цилиндра 1 расположена испарительная полость 6. В подпоршневой камере 4 размещен холодильник-вытеснитель 7, а в ее стенках установлены впускные клапаны 8, сообщающие подпоршневую камеру 4 с впускным коллектором 9, соединенным с компрессором 10. Поршень 2 снабжен перепускным клапаном 11 и через шток 12, проходящий сквозь холодильник-вытеснитель 7, связан с преобразовательным механизмом (не показан). В головке цилиндра установлены главная 13 и дополнительные 14 форсунки. Причем распылительные отверстия последних направлены в испарительную полость 6. На цилиндре 1 соосно с ним установлена газовая турбина 15, лопатки 16 рабочего колеса которой примыкают к выпускным окнам 5.

Способ осуществляют следующим образом.

Цикловую подачу топлива разделяют на две части: воспламеняющую, которую подают через главную форсунку 13 в рабочую камеру 3, и подготовительную, которую подают дополнительными форсунками 14 в испарительные полости 6, нагретые от сжигания топлива предыдущих циклов в рабочей камере 3. Соотношение воспламеняющей и подготовительной частей цикловой подачи может изменяться и определяться режимом работы двигателя и типом используемого топлива. Под действием нагрева в испарительных полостях 6 топливо начинает испаряться, происходит его разложение на фракции и предпламенная подготовка топлива.

Нагретые пары топлива из полостей 6 подают в компрессорную камеру 4 вместе с воздушным зарядом от компрессора 10 через впускные клапаны 8, которые открываются перепадом давления, возникающим при движении поршня 2 к верхней мертвой точке (ВМТ). В компрессорной камере 4, взаимодействуя с поверхностью холодильника-вытеснителя 7 и других холодных частей, пары топлива и воздух охлаждаются, в результате чего на стенках подпоршневой части цилиндра, в зоне действия поршневых колец, а также на штоке 12 оседает конденсат из тяжелых фракций испаренного топлива. Этот конденсат играет роль смазки цилиндропоршневой группы. Содержание в испаряемом топливе тяжелых фракций, идущих на смазку, регулируется величиной подготовительной части топлива, которая может изменяться как по абсолютной, так и по относительной величине (в процентах от всей цикловой подачи).

Оставшиеся после осаждения конденсата легкие фракции, смешиваясь с воздухом, образуют обедненную ТВС. Заряд в компрессорной камере непрерывно охлаждают холодильником-вытеснителем 7 как во время впуска через клапаны 8, так и во время сжатия в компрессоре, в результате чего температура свежего заряда ТВС от сжатия увеличивается меньше, чем у известного способа.

При проходе поршнем 2 выпускных окон 5 начинается выпуск из рабочей камеры отработавших газов, которые попадают на лопатки 16 рабочего колеса турбины 15 и раскручивают ее. Из-за торможения потока выхлопных газов в профилированных каналах между лопатками 16 выпуск газов получается затянутым.

Поршень 2 подходит к НМТ, выпускные окна полностью открыты и в конце выхлопа под действием на газ центробежных сил в канале вращающегося рабочего колеса происходит отсасывание оставшихся в цилиндре продуктов сгорания через выпускные окна 5. Одновременно с этим при подходе поршня к НМТ под действием перепада давления открывается поршневой перепускной клапан 11 и начинается заполнение рабочей камеры 3 охлажденной ТВС из компрессорной камеры 4. Этот поток плотного холодного заряда распространяется преимущественно по оси цилиндра, вытесняя менее плотную массу оставшихся продуктов сгорания в выхлопную систему. Совокупность процессов отсасывания турбиной и вытеснения с помощью охлажденной ТВС отработавших газов позволяет осуществить более полную очистку цилиндра и снизить давление газов в нем перед наполнением рабочей камеры.

При движении поршня 2 от НМТ закрываются выпускные окна 5 и перепускной клапан 11. Начинается сжатие в рабочей камере 3 более плотного, чем в известном способе заряда ТВС, температура которого при сжатии нарастает быстрее. Одновременно открываются впускные клапаны 8 и в компрессорную камеру 4 начинают засасываться свежий заряд воздуха и новая порция паров топлива из полостей 6.

При подходе к ВМТ впрыск главной форсункой 13 воспламеняющей порции топлива в среду разогретой от сжатия обедненной ТВС приводит к быстрому воспламенению топлива, поскольку задержка воспламенения существенно снижается благодаря взаимодействию впрыснутого топлива с парами, прошедшими ранее предпламенную подготовку. Одновременно производят впрыск дополнительными форсунками 14 новой подготовительной порции в испарительные полости 6.

Затем цикл повторяется.

Сущность изобретения: в способе работы двухтактного дизеля, осуществляемом путем разделения цикловой подачи топлива на две части, испарения одной части топлива на горячей поверхности, смешения испаренного топлива со свежим зарядом воздуха с образованием топливовоздушной смеси, впуска смеси в рабочую камеру, сжатия ее, впрыска в рабочую камеру другой части топлива, воспламенения и выжигания обеих частей цикловой подачи, организуют двухтактный цикл в надпоршневой и подпоршневой компрессорной полостях цилиндра, обе части цикловой подачи впрыскивают одновременно. Причем одну часть: запальную впрыскивают в рабочую камеру цилиндра, а вторую: подготовительную впрыскивают в полости, окружающие надпоршневую полость цилиндра, и непрерывно испаряют с последующим разделением на легкие и тяжелые фракции, осаждая последние на холодных поверхностях компрессорной полости и используя затем для смазки узлов трения, а легкие фракции смешивают со свежим зарядом воздуха в компрессорной полости и путем наддува создают в ней давление, превышающее атмосферное. После чего находящуюся при повышенном давлении смесь перед впуском в рабочую камеру сжимают и одновременно охлаждают. При этом в рабочей полости цилиндра создают давление меньше атмосферного и осуществляют глубокую очистку в ней, отсасывая продукты сгорания через выпускные окна, затем, поддерживая давление в компрессорной полости, заполняют рабочую полость цилиндра охлажденной смесью, подавая ее под давлением, и до начала сжатия в рабочей полости нагревают впущенную смесь на горячих стенках. Впрыск запальной части топлива начинают при достижении наибольшего сжатия обедненной смеси в рабочей полости, а расширение продуктов сгорания в момент выхлопа затягивают путем создания дополнительного сопротивления у выпускных окон. 2 ил.

СПОСОБ РАБОТЫ ДВУХТАКТНОГО ДИЗЕЛЯ путем испарения подготовительной части топлива теплом продуктов его сгорания, смешивания паров подготовительной части топлива с продувочным воздухом, нагнетаемым компрессором, продувки надпоршневой полости цилиндра с подачей в него смеси паров топлива с воздухом, сжатия смеси в цилиндре, вспрыска воспламеняющей части топлива в сжатую смесь, воспламенения топлива, его сгорания, расширения продуктов сгорания и выпуска отработавших газов через выпускные окна, управляемые поршнем, отличающийся тем, что, с целью улучшения эксплуатационных показателей, подготовительную часть топлива испаряют в полостях, окружающих надпоршневую полость цилиндра, смесь паров подготовительной части топлива с продувочным воздухом перед подачей в цилиндр предварительно перепускают в подпоршневую компрессорную полость цилиндра и принудительно охлаждают в последней, во время выпуска отработавшие газы тормозят с момента открытия поршнем выпускных окон и до подхода его к нижней мертвой точке и ускоряют до момента закрытия поршнем выпускных окон.