ОРГАНЫ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ РЕВЕРСИВНЫХ ДИЗЕЛЕЙ (ВАРИАНТЫ)
GAS-DISTRIBUTION COMPONENTS OF REVERSIBLE DIESEL ENGINES (VERSIONS)

Изобретение относится к дизелестроению и распространяется на 2- и 4-тактные реверсивные дизели транспортных средств (обычно судовые и тепловозные).
Наибольшее распространение реверсивные дизели получили в качестве судовых установок. Быстрота, эффективность и надежность реверса очень важны для транспортных средств, на которых они применяются. В настоящее время при реверсировании последовательно протекают следующие процессы: отключение подачи топлива в цилиндры двигателя, торможение двигателя при снижающемся внешнем воздействии, обусловленном инерционными силами (моментами), за счет потерь на трение в двигателе и связанных с ним механизмах, которые уменьшаются с уменьшением частоты вращения двигателя. После снижения частоты вращения обычно ниже 15% от номинальной в цилиндры подается контрвоздух на ходе сжатия. Если частота вращения для подачи контрвоздуха установлена для двигателя верно, то практически за пол-оборота двигатель останавливается за счет торможения его силами трения и цилиндрами, в которых совершается ход сжатия при увеличенной работе вследствие подачи в них пускового воздуха и затем запускается в заданном направлении. Торможение двигателя в указанных условиях происходит достаточно медленно и при реверсе на судне с полного хода составляет несколько минут. Соответственно удлиняется реверс, увеличивается выбег транспортного средства, в данном случае судна, что ухудшает его эксплуатационные свойства. При неправильно отрегулированной системе пуска контрвоздух будет подан при повышенной частоте вращения. В этом случае он не приведет к остановке и реверсированию двигателя. Наоборот двигатель будет вращаться в прежнем направлении с некоторым увеличением скорости, так как на ходе расширения сжатый в цилиндре воздух возвратит работу большую, чем затрачено на сжатие. Воздух в цилиндре будет работать как пневматическая пружина. Таким образом, торможение двигателя только за счет потерь на трение и последующее кратковременное воздействие контрвоздуха недостаточно эффективны для качественного реверсирования двигателя.
Для создания устойчивого тормозного момента на режиме контрвоздуха необходимо подать пусковой воздух на ходе сжатия, с целью увеличения работы на этом ходу, и выпустить его и частично заполнявший цилиндр воздух на ходе расширения. В этом случае работа сжатия будет больше работы расширения, что и создаст отрицательную тормозную работу и соответствующий тормозной момент на валу двигателя. Одним из таких решений данной проблемы явилась реализация фирмой Зульцер (Швейцария) пневматической пусковой системы, обеспечивавшей при подаче контрвоздуха удержание пусковых клапанов цилиндров на ходе сжатия открытыми до ВМТ поршня и выталкивание за счет этого части воздуха обратно в пусковую магистраль (смотри, например, журнал "Motor Ship октябрь 1952 г., стр.283). Это обеспечивало создание устойчивой тормозной работы в цилиндрах двигателя и улучшение, тем самым, его реверсивных свойств. Аналогичный результат обеспечивался и решением по авторскому свидетельству от 31.08.70 г., №369291 при несколько ином выполнении элементов пусковой системы. К недостаткам этих решений относится умеренная величина тормозной работы из-за относительно небольшой разности между работами сжатия и расширения.
Для повышения эффективности реверсирования необходимо обеспечить увеличение тормозной работы в цилиндре и создать возможность реализовать это увеличение, начиная с любой скорости вращения вала двигателя. Наиболее эффективным представляется решение, обеспечивающее при реверсировании сначала после отключения подачи топлива перевод дизеля на работу по циклу одноступенчатого компрессора в режим «Торможение» и после снижения частоты вращения вала дизеля до допускающих подачу контрвоздуха переход на этот режим реверсирования. Осуществление в цилиндре дизеля режима одноступенчатого компрессора означает выполнение сначала сжатия заряда (воздуха, либо выпускных газов), затем в конце хода сжатия выпуск его из цилиндра в ресивер или выпускной коллектор и всасывание из них на следующем ходе нового заряда в цилиндр. Совершаемая при этом работа будет отрицательной для дизеля - тормозной. В этом случае может быть получена максимально возможная тормозная работа и минимальная продолжительность реверсирования.
Технической задачей изобретения являются органы газораспределения реверсивных дизелей, которые обеспечили бы как нормальную работу дизеля на всех эксплуатационных режимах, так и максимально эффективный режим реверсирования за счет перевода дизеля при любой частоте вращения его вала и после отключения подачи топлива на работу в режиме «Торможение» по циклу одноступенчатого компрессора, а после снижения частоты вращения вала двигателя до допускающих подачу контрвоздуха переход на этот режим реверсирования.
Поставленная задача решается следующими способами.
1) первый вариант - за счет того, что при органах газораспределения реверсивных двухтактных дизелей, содержащих продувочные и выпускные окна, на крышке каждого цилиндра вводится дополнительный орган газораспределения в виде клапана, связанного трубопроводом с ресивером продувочного воздуха и обеспечивающего по команде системы управления на реверс после отключения подачи топлива в цилиндры и при любой частоте вращения вала дизеля автоматический перевод цилиндров в режим «Торможение» с работой по компрессорному циклу с производством на ходе сжатия сначала сжатия воздуха, затем выпуска его в конце хода сжатия в ресивер продувочного воздуха и всасывание из него свежего заряда воздуха почти по всему ходу расширения с последующим отключением функционирования этого клапана после снижения частоты вращения вала дизеля до значения, при котором обеспечивается производство режима реверса с контрвоздухом (обычно менее 15% от номинальных), и нахождении клапана в закрытом положении при всех остальных режимах работы;
2) второй вариант - за счет того, что при органах газораспределения реверсивных двухтактных дизелей, содержащих продувочные окна и выпускные клапаны с приводом клапанов от кулачковых шайб на распределительном валу, снабженном устройством его продольного перемещения, применяется распределительный вал, имеющий фиксированные положения «Вперед», «Назад» и «Торможение», на распределительном валу установлена на каждый цилиндр для положения «Торможение» кулачковая шайба выпускных клапанов с симметричным относительно верхней мертвой точки поршня профилем, а вал автоматически переставляется в положение «Торможение» по команде системы управления на реверс и после отключения подачи топлива с переводом дизеля при любой частоте вращения на работу по компрессорному циклу с производством на ходах сжатия сначала сжатия воздушного заряда в цилиндре при закрытом выпускном клапане, затем выпуска его в конце хода сжатия в выпускной трубопровод и всасывание из него на части хода расширения при открытом в это время выпускном клапане с последующей, после снижения частоты вращения вала дизеля до значения, при котором обеспечивается производство реверса с контрвоздухом, перестановкой вала в положение заданного хода;
3) третий вариант - за счет того, что при органах газораспределения реверсивных четырехтактных дизелей, содержащих впускные и выпускные клапаны с приводом клапанов от кулачковых шайб на распределительном валу с устройством его продольного перемещения, в каждом патрубке непосредственно за выпускными клапанами, устанавливается запирающее устройство (например, клапан, поворотная заслонка), обеспечивающее по команде системы управления на реверс и отключении подачи топлива в цилиндры автоматический перевод дизеля при любой частоте вращения вала на работу по компрессорному циклу с производством на ходе выпуска сначала сжатия воздушной смеси в цилиндре при закрытом запирающим устройстве, затем выпуска ее в конце хода в выпускной трубопровод при открытом запирающим устройстве с последующим нахождением его в полностью открытом положении после снижения частоты вращения вала дизеля до значения, при котором обеспечивается производство реверса с контрвоздухом, и работа на всех остальных режимах;
4) четвертый вариант - за счет того, что при органах газораспределения реверсивных четырехтактных дизелей, содержащих впускные и выпускные клапаны с приводом клапанов от кулачковых шайб на распределительном валу, снабженном устройством его продольного перемещения, применяется распределительный вал имеющий фиксированные положения «Вперед», «Назад» и «Торможение», на распределительном валу установлены на каждый цилиндр для режима «торможение» кулачковая шайба с двумя диаметрально расположенными и симметричными относительно ВМТ и НМТ кулачками для управления выпускными клапанами, а вал автоматически переставляется в положение «Торможение» по команде системы управления на реверс после отключении подачи топлива в цилиндры, переводя дизель при любой частоте вращения вала на работу по компрессорному циклу с производством на ходах сжатия и выпуска сначала сжатия воздушной смеси в цилиндре, затем выпуска ее в конце этих ходов в выпускной трубопровод и всасывание из него на части хода расширения и хода всасывания при открытом в это время выпускном клапане с последующей, после снижения частоты вращения вала дизеля до значения, при котором обеспечивается производство реверса с контрвоздухом, перестановкой вала в положение заданного хода;
5) пятый вариант - за счет того, что при органах газораспределения реверсивных дизелей, содержащих соответственно продувочные и выпускные окна, или продувочные окна и выпускной клапан, или впускные и выпускные клапаны с приводом, а также функционирующие при реверсировании дополнительными органами пусковые клапаны цилиндров, которые соединяются разветвленным трубопроводом с пусковым трубопроводом и с ресивером наддувочного воздуха, а в зоне разветвления установлено управляемое запирающее устройство (например, клапан или поворотная заслонка), обеспечивающее по команде системы управления на реверс при любой частоте вращения дизеля и после отключения подачи топлива перевод цилиндров на работу по компрессорному циклу за счет выпуска воздуха из цилиндра в конце хода сжатия и всасывания его из ресивера на ходе расширения при открытом запирающем устройстве с последующим, после снижения частоты вращения вала дизеля до значения, при котором обеспечивается производство реверса с контрвоздухом, закрытием запирающего устройства и обеспечением работы клапана в пусковом режиме.
Указанные решения обеспечивают создание на валу двигателя устойчивого тормозного момента величиной не менее 60% на номинальной частоте вращения двигателя и не менее 15% на минимальных оборотах для вариантов решения 1), 2), 5) для двухтактных дизелей и 4) для четырехтактных за счет того, что компрессорный цикл реализуется на каждом обороте дизеля. Для вариантов 3) и 5) для четырехтактных дизелей тормозной момент в два раза меньше, так как компрессорный цикл реализуется только на каждом втором обороте дизеля.
Работа по компрессорному циклу является тормозной и реализуется за счет того, что в цилиндре осуществляется сжатие воздуха, затем выпуск его из цилиндра в конце процесса сжатия и далее в следующим за ним ходе разгрузки цилиндра от сжатого воздуха и всасывания нового заряда в цилиндр. Процесс сжатия происходит на следующих ходах:
- ходе сжатия для решений по пп.1), 2) и 5);
- ходе выпуска для решений по п.3) за счет закрытия выпуска заряда из цилиндра на большей части хода закрытием запирающего устройства за клапаном выпуска;
- ходах сжатия и выпуска по п.4) за счет соответствующего изменения фаз работы выпускных клапанов на этом режиме при постоянно закрытом впускном клапане. Такое изменение фаз обеспечивает на указанных ходах сначала сжатие заряда в цилиндре, а затем выпуск его из цилиндра в конце соответствующего хода. В данном случае всасывание нового заряда в цилиндр осуществляется из выпускного коллектора через продолжающий оставаться открытым выпускной клапан на части рабочего хода и хода впуска.
Для реализации этих решений помимо введения указанных конструктивных элементов вносятся необходимые изменения в пусковую систему двигателя и в систему управления. Кроме того, в целях ограничения скорости потока в клапане по п.2), а также в пусковом клапане по п.5), и, соответственно, величины снижения давления заряда в цилиндре при всасывании его свежей порции (из-за потерь давления в клапане) желательно обеспечить сечение для прохода воздуха в этих клапанах, эквивалентные примерно 20% диаметра цилиндра. Эта величина подлежит уточнению применительно к отдельным типам дизелей.
Что касается фаз работы устройств, обеспечивающих реализацию компресссорного цикла, то наибольший тормозной момент обеспечивается при начале выпуска из цилиндра за 18-20% хода поршня до его верхней мертвой точки (ВМТ) и пополнение цилиндра зарядом на большей части хода, следующего за сжатием. Однако для решений по пп.2) и 4) фазы должны соответствовать примерно 35% хода поршня до конца сжатия и после него, т.е. до и после верхней и нижней мертвых точек (ВМТ и НМТ) соответствующих ходов, что создает несколько меньший тормозной момент.
Устройства, необходимые для реализации изобретения по органам газораспределения и поясняющие протекающие процессы, приведены на следующих фигурах:
фиг.1 - схема клапана с присоединенным трубопроводом;
фиг.4 - кулачковая шайба выпускного клапана двухтактного дизеля для режима «Торможение»;
фиг.5 - выпускной клапан четырехтактного дизеля с заслонкой в выпускном патрубке;
фиг.7 - кулачковая шайба выпускного клапанов четырехтактного дизеля для режима «Торможение»;
фиг.9 - схема подключения пускового клапана цилиндра для нормальной работы и режима «Торможение»;
фиг.2, 3, 6, 8, 10 - диаграммы фаз дополнительных и основных органов газораспределения для нормальной работы и режима «Торможение»;
фиг.11 - диаграммы компрессорных циклов в цилиндре двигателя.
С помощью приведенных решений по команде на реверс сначала отключается подача топлива в цилиндры, затем реализуется режим «Торможение». На этом режиме с помощью дополнительных органов газораспределения или изменения фаз основных органов обеспечивается перевод дизеля в компрессорный режим за счет выпуска воздуха из цилиндров в конце ходов сжатия, а для варианта 4) и выпуска и на части следующих за ними ходов. После того как в результате торможения частота вращения дизеля снизится до допускающей реверсирование, автоматически отключаются дополнительные органы газораспределения, а распределительный вал переставляется в положение заданного хода.
На фиг.1 показан клапан 1 для реализации первого варианта решения, а именно: для двухтактных дизелей с органами газораспределения в виде продувочных и выпускных окон. Клапан установлен на крышке цилиндра 2 с присоединенным трубопроводом 3 связи с ресивером продувочного воздуха. Клапаны 1 управляются отдельным воздухораспределителем, либо в современных дизелях электронно-гидравлической компьютеризированной системой. Диаграмма фаз работы клапана представлена на фиг.2. При переходе на режим «Торможение» управляющая система воздействует на клапан по стрелке «а», открывает клапан в конце хода сжатия и удерживает его открытым на рабочем ходе - положение 5 на фиг.2. При указанном функционировании клапана воздух в цилиндре на ходе сжатия сначала сжимается - клапан закрыт - положение 4 - затем после открытия клапана в конце этого хода - положение 5 - выталкивается в ресивер продувочного воздуха и после снижения давления всасывается из него в цилиндр. Таким образом осуществляется компрессорный цикл в цилиндре, создающий тормозной момент.
На фиг.3 представлена для второго варианта решения диаграмма фаз выпускного клапана двухтактного реверсивного дизеля с указанными клапанами и продувочными окнами на режиме «Торможение», задаваемая соответствующей кулачковой шайбой на распределительном валу. Шайба 8 показана на фиг.4. Там же пунктиром показаны шайбы для переднего 9 и заднего 10 ходов. На режиме «Торможение» клапан открывается в конце хода сжатия и остается открытым на части рабочего хода. Конкретные фазы уточняются экспериментально для каждого типа дизеля. После снижения частоты вращения дизеля до допускающих выполнение реверса алгоритмом управления автоматически устанавливаются фазы клапана для остальных режимов работы и производится реверсирование.
На фиг.5 представлен выпускной клапан 12, установленный в крышке цилидра 11. К крышке подключен патрубок 13, связанный с выпускным коллектором 16. В патрубке 13 установлена поворотная заслонка 14, управляемая пневматическим сервомотором 17 через рычаг 15. На фиг.6 представлены фазы работы заслонки в режиме «Торможение» для реверса с «Вперед» (В) на «Назад» (Н). Здесь 19 заслонка открыта, а 18 - закрыта. При реверсе с Н на В фазы аналогичны, но в противоположном направлении. Эти фигуры отражают решение по третьему варианту.
При нормальных режимах работы дизеля сервомотор 17 разгружен от воздействия управляющей среды (воздух), его поршень пружиной отжат в крайнее правое положение, установив заслонку 14 вдоль оси патрубка 13. В этом положении заслонка не препятствует пропуску выпускных газов в коллектор 16. На режиме «Торможение» управляющая среда (воздух от специального воздухораспределителя) подается по трубке «с» к сервомотору 17, переставляет его поршень влево и заслонка 14 перекрывает патрубок 13 - положение 18 на фиг.6. В результате указанного в цилиндре осуществляется сжатие воздуха на ходе выпуска. В конце данного хода сервомотор 17 разгружается от давления воздуха и пружиной переводится в крайнее правое положение. В результате указанного заслонка 14 открывает выпуск воздуха из цилиндра в выпускной коллектор 16 в конце соответствующего хода поршня - положение 19. Далее, оставшаяся часть воздуха из цилиндра вытечет во впускную систему через открытые впускные клапаны, после чего будет совершаться всасывание свежего воздуха в цилиндр в соответствии с принятыми для дизеля фазами газораспределения. Таким образом, с помощью управляемой заслонки ход выпуска трансформируется в ход сжатия и последующего вытеснения воздуха из цилиндра со следующим за этим всасыванием в цилиндр свежего воздуха, т.е. осуществляется компрессорный цикл в цилиндре. После завершения режима «Торможение» сервомотор 17 разгружается от давления воздуха, заслонка 14 устанавливается в открытое положение и остается в нем до следующего реверсирования.
Фиг.7 и 8 относятся к четвертому варианту решения. На фиг.7 приведена для режима «Торможение» кулачковая шайба выпускного клапана. Ее кулачки 20 и 21 выполняются симметричными соответственно относительно ВМТ и НМТ ходов впуска и выпуска (диаметрально противоположными друг другу).Таким образом обеспечиваются одинаковые фазы работы в режиме «Торможение» для реверсирования с переднего хода на задний и наоборот. На фиг.8 показаны фазы работы клапанов. Здесь 22 и 24 соответственно фазы выпускного и впускного клапанов для работы на всех режимах кроме «Торможение». Позиции 23 и 25 - фазы впускного и выпускного клапанов на режиме «Торможение». Впускной клапан на этом режиме должен быть закрыт.
На фиг.9 представлено устройство для реализации решения по пятому варианту, а именно: пусковой клапан 26 цилиндра с подключенным к нему трубопроводом «г» связи с пусковой магистралью дизеля и патрубком «д» связи с ресивером продувочного воздуха, в котором установлено управляемое воздухом от системы пуска запирающее устройство 27 (клапан или заслонка). Диаграмма фаз работы этих органов в режиме «Торможение» приведена на фиг.10. При работе дизеля запирающее устройство 27 закрыто и патрубок «д» отключен от пускового клапана 26. На режиме «Торможение» по команде системы управления запирающее устройство 27 открывается и остается открытым на все время протекания этого режима - положение 28. Пусковой воздух по патрубку «г» к пусковому клапану не подается. Управляющий воздух от воздухораспределителя подается к пусковому клапану 26 по трубке «в», он открывается в районе ВМТ рабочего хода и остается открытым большую часть этого хода - положение 30 в соответствии с установленными фазами его работы, которые должны быть максимально возможными. На ходе сжатия клапан закрыт - 29. Такой режим работы клапана обеспечит протекание компрессорного цикла в цилиндрах. По завершении режима «Торможение» по команде системы управления запирающее устройство 27 закрывается, связь пускового клапана с ресивером прекращается и управление им производится в режиме реверса и пуска.
На фиг.11 представлены графики компрессорных циклов в цилиндре дизеля при различных вариантах организации процесса торможения. Кривая 31 показывает изменение давления в процессе чистого сжатия расширения заряда в цилиндре. Линией 32 показан выпуск воздуха из цилиндра в конце хода сжатия, а линией 33 - следующее за ним расширение. Такой цикл совершается при отсутствии всасывания извне на ходе расширения вследствие закрытия газораспределительных органов в ВМТ хода сжатия. Этот цикл характерен для реализации процесса реверсирования по упомянутым патенту фирмы Зульцер и близкого к нему авторскому свидетельству. Видно, что этот вариант характеризуется, пожалуй, наименьшей работой цикла. Линией 34 показан процесс расширения, протекающий при частичном открытии газораспределительных органов в процессе всасывания после прохождения ВМТ на ходе сжатия. В этом случае по ходу всасывания давление в цилиндре опустится ниже давления во впускной системе. Линиями 31, 32 и 35 показан наиболее желательный вид компрессорного цикла в цилиндре при оптимальном подборе фаз органов газораспределения для реализации этого цикла. Конкретные фазы газораспределения для принятого варианта реализации процесса торможения дизеля должны быть уточнены опытным путем применительно к соответствующему типу дизеля.
Осуществление рассматриваемых процессов торможения требует внесения следующих изменений в систему управления дизеля. Она должна быть пополнена средствами управления перепускным клапаном, запирающими устройствами в выпускном патрубке и патрубке связи пускового клапана цилиндра с ресивером продувочного воздуха, а также должна обеспечивать перестановку распределительного вала в три фиксированных положения. Порядок функционирования системы должен обеспечить необходимую последовательность операций по реверсированию дизеля с режимом «Торможение».
Большинство вариантов обеспечения режима «Торможение» может быть применено в этих целях и для нереверсивных дизелей. Это позволит сократить продолжительность торможения силовой установки и транспортного средства, а при необходимости, и реверса.