Дизель

Полезная модель относится к области транспортного машиностроения и может использоваться при проектировании и изготовлении судовых дизелей.
Известна полезная модель дизеля с системой водяного охлаждения, основанной на отборе теплоты от стенок цилиндра, путем омывания их водой снаружи (см., например, Гогин А.Ф., Кивалкин Е.Ф., Богданов А.А. Судовые дизели: Основы теории, устройства и эксплуатация - М: Транспорт, 1988. 439 с. - стр. 202-204.). В цилиндре дизеля при сгорании топлива выделяется теплота. При этом происходит нагрев стенок, крышки цилиндра и донышка поршня. Теплота от деталей цилиндро-поршневой группы отводится системой жидкостного охлаждения. Количество теплоты, уносимой охлаждающей жидкостью, достигает до 30% от общего количества, выделившегося при сгорании топлива в цилиндре (см., например, книгу Кане А.Б. Судовые двигатели внутреннего сгорания, Л.: Судостроение, 1982, 303 с., стр. 38-39).
Известна также полезная модель поршневого двигателя внутреннего сгорания, содержащего головку цилиндра с днищем и полостями для протока охлаждающей жидкости, поршень, в головке которого установлена пористая вставка, и систему подачи охлаждающей жидкости в камеру сгорания, в которой с целью повышения надежности и экономичности вставка размещена в головке поршня с образованием полости охлаждения, последний снабжен толкателем размещенным в глухом отверстии, выполненном в пористой вставке и головке и снабженным радиальным и осевым каналами и обратным клапаном, установленным в последнем, головка цилиндров снабжена плунжером, установленным в ее цилиндрической расточке и снабженным осевым каналом и обратным клапаном, причем осевые каналы толкателя и плунжера выполнены соосными и связаны соответственно с полостью охлаждения и системой подачи охлаждающей жидкости в камеру сгорания при помощи дополнительных каналов, а плунжер и толкатель установлены с возможностью контакта один с другим при положении поршня 0-18 градусов угла поворота коленчатого вала до верхней мертвой точки (см. а.с. №1362862, Кл. F02M 25/02, F02F 3/00, авторы Л.В. Грехов, С.М. Возчиков, Г.И. Волкова, В.И. Ивин, А.И. Леонтьев, А.В. Ходненко, Бюл. №48, 30.12.87).
В данной полезной модели вода подается в камеру сгорания в конце такта сжатия через пористую вставку в головке поршня. При сгорании топлива поступающая через пористую вставку в головке поршня в камеру сгорания вода уменьшает количество теплоты, переданной от продуктов сгорания к поршню и близлежащим частям стенок цилиндра. В результате будет отводиться охлаждающей жидкостью меньшее количество теплоты, и соответственно возрастет полезная работа, совершаемая продуктами сгорания.
Однако применение данной полезной модели ведет к существенному усложнению конструкции двигателя. Кроме того, эффект уменьшения количества теплоты, переданной от продуктов сгорания к стенкам цилиндра и поршню, будет сказываться только на этапе впрыска и испарения воды. После испарения всей впрыснутой воды нагрев стенок цилиндра продолжится. Также продолжится их охлаждение охлаждающей жидкостью, как и в рассмотренной выше полезной модели. То есть, значительная часть теплоты, выделившаяся при сгорании топлива, уносится охлаждающей жидкостью, омывающей стенки цилиндра.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является полезная модель дизеля (см. положительное решение по заявке №2018100722/06 (000934) от 10.01.2018 «Дизель», заявитель ФГБОУ ВО «ВГУВТ», авторы А.Г. Чичурин, Ю.И. Матвеев, Н.А. Лаптев). Дизель, содержит цилиндровые узлы, каждый из которых включает цилиндр с поршнем и выпускным клапаном, а также газоход и газоанализатор, входы, которых соединены с выпускным клапаном цилиндра, также содержит топливный насос высокого давления, кроме того в каждом цилиндровом узле имеются последовательно соединенные дозирующий клапан и регулируемый клапан, а также переключатель, вход которого соединен с управляющим выходом топливного насоса высокого давления, а выход подключен к управляемому входу дозирующего клапана, а в цилиндре имеется двухканальная форсунка, первый канал которой подключен к выходу топливного насоса высокого давления, а второй к выходу дозирующего клапана, кроме того, дизель содержит последовательно соединенные цистерну дистиллированной воды и насос, выход которого подключен к входу регулируемого клапана в каждом цилиндровом узле.
В полезной модели осуществляется организация впрыска в камеру сгорания дизеля одновременно и топлива и воды без предварительного перемешивания с помощью двухканальной форсунки. Причем конусы распыла топлива и воды накладываются друг на друга.
Если конусы распыла воды направить вдоль крышки цилиндра и стенок цилиндра, то вода уменьшает количество теплоты, переданной от продуктов сгорания к крышке и близлежащим частям стенок цилиндра. В результате охлаждающей жидкостью будет отводиться меньшее количество теплоты, и соответственно возрастет полезная работа, совершаемая продуктами сгорания.
Однако, эффект уменьшения количества теплоты, переданной от продуктов сгорания к крышке и стенкам цилиндра, будет сказываться только на этапе впрыска и испарения воды, то есть только на части рабочего цикла двигателя. Кроме того, поскольку в полезной модели конусы распыла топлива и воды накладываются друг на друга, а не направлены вдоль крышки цилиндра, то она в принципе не может обеспечивать указанный эффект.
Задачей заявляемой полезной модели является увеличение полезной работы дизеля путем использования части теплоты, переданной продуктами сгорания внутренней поверхности цилиндра.
Поставленная задача полезной модели достигается тем, что в известной полезной модели дизеля, каждый цилиндровый узел которого включает цилиндр с поршнем, выпускным клапаном и топливной форсункой, а также газоход и газоанализатор, входы, которых соединены с выпускным клапаном цилиндра, кроме того содержит топливный насос высокого давления, выход которого подключен к топливной форсунке и последовательно соединенные дозирующий клапан и регулируемый клапан, а также переключатель, выход которого подключен к управляемому выходу дозирующего клапана, кроме того дизель содержит последовательно соединенные цистерну дистиллированной воды и насос, выход которого подключен к входу регулируемого клапана в каждом цилиндровом узле, дополнительно введены в каждый цилиндровый узел устройство управления, на вход которого поступает значение угла поворота коленчатого вала, а выход подключен к входу переключателя, а в цилиндр введены две водяные форсунки, располагаемые напротив друг друга, в верхней части цилиндра, вход которых подключен к выходу дозирующего клапана.
Существо полезной модели рассмотрим на примере двухтактного дизеля. В заявляемой полезной модели предлагается перед окончанием такта расширения после полного сгорания топлива (температура стенок цилиндра достигла максимального значения) впрыскивать в цилиндр воду. Причем струи впрыскиваемой воды направляются на крышку цилиндра и на стенки верхней части камеры сгорания цилиндра. Вода, попадая на нагретые поверхности камеры сгорания, нагревается и испаряется, вызывая тем самым снижение температуры поверхности верхней части камеры сгорания и соответственно снижая количество теплоты, отбираемой системой охлаждения цилиндра. При этом впрыснутая вода образует вблизи стенок камеры сгорания пароводяную прослойку, которая с одной стороны затрудняет дальнейшую передачу теплоты от продуктов сгорания стенкам камеры сгорания, а с другой стороны эта прослойка нагреваясь, отбирает теплоту от продуктов сгорания. В результате указанных процессов в камере сгорания появляется дополнительное рабочее тело - водяной пар. Это приведет к повышению давления в камере сгорания и тем самым усиливается воздействие газов на поршень и, следовательно, возрастает величина полезной работы, совершаемой двигателем, то есть повышается полезная работа дизеля.
Таким образом, у заявляемой полезной модели появляются новые свойства, заключающееся в том, что часть теплоты, переданной продуктами сгорания внутренней поверхности цилиндра идет на превращение впрыснутой в цилиндр воды в пар, который совершает дополнительную полезную работу, не совпадающие со свойствами, проявляемыми отличительными признаками в известных решениях и не равные сумме этих свойств, обеспечивающие достижение нового положительного эффекта -повышение полезной работы дизеля.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 приведена схема дизеля.
На фиг. 2 показано схематическое изображение струй, создаваемых водяными форсунками в цилиндре:
а) в вертикальном сечении цилиндра;
б) в плоскости крышки цилиндра.
На фиг. 3 приведена временная диаграмма работы двухтактного дизеля:
а) прототипа;
б) предлагаемой полезной модели.
Здесь показан дизель 1, каждый цилиндровый узел 2 которого включает цилиндр 3 с поршнем 4, выпускным клапаном 6 и топливной форсункой 5, а также газоход 14 и газоанализатор 13, входы, которых соединены с выпускным клапаном 6, кроме того содержит топливный насос высокого давления 11, выход которого подключен к топливной форсунке 5 и последовательно соединенные дозирующий клапан 7 и регулируемый клапан 8, а также переключатель 12, выход которого подключен к управляемому выходу дозирующего клапана 7, кроме того дизель 1 содержит последовательно соединенные цистерну дистиллированной воды 10 и насос 9, выход которого подключен к входу регулируемого клапана 8 в каждом цилиндровом узле 2, в каждый цилиндровый узел 2 также входит устройство управления 15, на вход которого поступает значение угла поворота коленчатого вала, а выход подключен к входу переключателя 12, в цилиндр 3 также входят две водяные форсунки 16, располагаемые напротив друг друга в верхней части цилиндра 3, вход которых подключен к выходу дозирующего клапана 7.
Осуществление полезной модели.
Заявляемая полезная модель работает следующим образом.
Работу полезной модели рассмотрим на примере двухтактного дизеля, применительно к одному цилиндровому узлу 2 дизеля 1. Вначале переключатель 12 ставится в положение «А» и полезная модель работает в штатном режиме. На фиг. 3а приведена временная диаграмма работы двухтактного дизеля в этом режиме. Здесь такт впуска (поршень 4 движется от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ)) чередуется с тактом выпуска (поршень 4 движется от ВМТ к НМТ). При этом на форсунку 5 подается топливо из топливного насоса высокого давления 11 перед приходом поршня в ВМТ. На фиг. 3а момент подачи топлива показан буквой «Т». Топливо распыливается форсункой 5 в камере сгорания цилиндра 3 и сгорает.При этом происходит нагрев стенок, крышки цилиндра и верхней части поршня. При этом теплота от стенок цилиндра отводится системой жидкостного охлаждения (см., например, Гогин А.Ф., Кивалкин Е.Ф., Богданов А.А. Судовые дизели: Основы теории, устройства и эксплуатация - М.: Транспорт, 1988. 439 с. - стр. 202-204.). Количество теплоты, уносимой охлаждающей жидкостью, достигает до 30% от общего количества, выделившегося при сгорании топлива в цилиндре (см., например, книгу Кане А.Б. Судовые двигатели внутреннего сгорания, Л.: Судостроение, 1982, 303 с., стр. 38-39).
Для перевода дизеля 1 в режим работы заявляемой модели переключатель 12 ставится в положение «В». В этом случае временная диаграмма работы двухтактного дизеля соответствует фиг. 3б. Здесь после полного сгорания топлива, когда температура стенок цилиндра достигла максимального значения, впрыскивается в цилиндр 3 вода. Вода подается насосом 9 из цистерны дистиллированной воды 10 через регулируемый клапан 8 и дозирующий клапан 7 с помощью форсунок 16, расположенных напротив друг друга в верней части цилиндра. Момент подачи воды и продолжительность ее подачи определяется управляющим сигналом (его началом и продолжительностью), вырабатываемым устройством управления 15. Данный управляющий сигнал выдается с устройства управления 15 через замкнутые контакты переключателя 12 на управляющий вход дозирующего клапана 7 и открывает его.
Струи впрыскиваемой воды из форсунок 16 направляются на крышку цилиндра и на стенки верхней части камеры сгорания цилиндра 3. На фиг. 2 показано схематическое изображение струй, создаваемых водяными форсунками в цилиндре:
а) в вертикальном сечении цилиндра;
б) в плоскости крышки цилиндра.
Вода, попадая на нагретые поверхности камеры сгорания, нагревается и испаряется, вызывая тем самым снижение температуры поверхности верхней части камеры сгорания и соответственно снижая количество теплоты, отбираемой системой охлаждения цилиндра 3. При этом впрыснутая вода образует вблизи стенок камеры сгорания пароводяную прослойку, которая с одной стороны затрудняет дальнейшую передачу теплоты от продуктов сгорания стенкам камеры сгорания, а с другой стороны эта прослойка нагреваясь, отбирает теплоту от продуктов сгорания.
В результате указанных процессов в камере сгорания появляется дополнительное рабочее тело - водяной пар. Это приведет к повышению давления в камере сгорания и тем самым усиливается воздействие газов на поршень и следовательно возрастает величина полезной работы, совершаемой двигателем.
Начало впрыска воды и его продолжительность задаются параметрами управляющего сигнала, которые могут меняться при настройке устройства управления 15. Настройка устройства управления 15, также регулируемого клапана 8 осуществляется на основе анализа параметров рабочего цикла дизеля и данных газоанализатора 13.
Таким образом, у заявляемой полезной модели появляются новые свойства, заключающееся в том, что часть теплоты, переданной продуктами сгорания внутренней поверхности цилиндра идет на превращение впрыснутой в цилиндр воды в пар, который совершает дополнительную полезную работу, не совпадающие со свойствами, проявляемыми отличительными признаками в известных решениях и не равные сумме этих свойств, обеспечивающие достижение нового положительного эффекта - повышение полезной работы дизеля.