ДВУХТАКТНЫЙ ПОРШНЕВОЙ ДИЗЕЛЬ
TWO-STROKE PISTON DIESEL ENGINE

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в двухтактных поршневых дизелях, в частности с прямоточной продувкой.
Широко применяются на судах малооборотные двухтактные поршневые дизели с прямоточной продувкой. Известен двухтактный поршневой дизель с прямоточной продувкой, который содержит цилиндр с продувочными окнами, размещенный в нем поршень со штоком, крышку цилиндра с одним выпускным клапаном и установленными в нее одним или двумя форсунками.
Целью изобретения является повышение эффективности двигателя, а именно, увеличение литровой мощности, снижение эксплуатационных затрат на топливо за счет снижения расхода его и применения тяжелых топлив организацией интенсивного смесеобразования и сгорания, увеличение ресурса дизеля, улучшение экологических показателей за счет снижения образования твердых частиц и окислов азота, снижение уровня шума. Указанная цель достигается тем, что в крышку цилиндра устанавливается (запрессовывается) стальная вставка с торцевыми выступами в виде кольца с тангенциальными прорезями, образующими каналы, соединяющие зону вытеснения объема воздуха, ограниченного между наружным диаметром кольца вставки и диаметром цилиндра и плоскими участками вставки и днища поршня, с камерой сгорания, а векторы скоростей истечения воздуха через продувочные окна и через тангенциальные каналы имеют одинаковое направление. Кольцо вставки входит в цилиндрическую часть углубления в днище поршня при положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ). Так как в зоне закругленной кромки, образованной плоским и цилиндрическим происходит интенсивное истечение горячих газов и холодного продувочного воздуха, то с целью исключения образования трещин, кромка может выполняться из высоколегированной коррозийно-стойкой и жаростойкой стали, запрессованной в днище поршня в виде кольца, или покрываться коррозийно-стойкой и жаростойкой сталью, например, методом плазменного напыления.
При движении поршня к ВМТ воздух втекает в камеру сгорания из зоны вытеснения через тангенциальные каналы с высокой скоростью, при этом поток срывается с кромок каналов и торцевых выступов, образуя микровихри высоких скоростей и энергий, заполняющих весь объем камеры сгорания. Эти микровихри тонко распыливают впрыснутое топливо и распределяют смесь топлива и воздуха по всему объему камеры сгорания с высокой скоростью.
Происходит интенсивное смесеобразование и сгорание заряда, что значительно снижает образование сажи, твердых частиц и окислов азота. Дизель способен работать без выделения сажи (дымного сгорания) при значительном снижении коэффициента избытка воздуха, значит появляется возможность увеличить литровую мощность дизеля.
Микровихри обеспечивают повышенную скорость тепловыделения, меняют индикаторную диаграмму, т.е. увеличивают работу и к.п.д. цикла, т.е. снижают расход топлива.
При продувке цилиндра поток воздуха из окон цилиндра огибает кромку цилиндрической части углубления в днище поршня и, срываясь с кромки, образует вихри, интенсивно охлаждая днище поршня. Эффективное охлаждение поршня, значительное уменьшение образования твердых частиц, снижение температуры выхлопных газов, вызванное быстрым и полным сгоранием, повышает ресурс поршня, поршневых колец, гильз цилиндра.
Кроме того, микровихри значительно снижают период задержки воспламенения, что обеспечивает «мягкий» процесс сгорания и снижение уровня шума. Что касается повышения давления в цилиндре Pz из-за значительного роста скорости сгорания, то повышение давления может быть отрегулировано оптимизацией характеристики впрыска с учетом «мягкого» рабочего процесса.
На фиг.1 изображен поперечный разрез дизеля. На фиг.2 изображен вид на вставку со стороны поршня. Дизель содержит цилиндр 1 с продувочными окнами 2, размещенный в нем поршень со штоком 3, крышку цилиндра 4 с одним выпускным клапаном 5 и установленными в нее двумя форсунками 6. В крышку цилиндра установлена (запрессована) стальная вставка 7 с плоским участком 8 и торцевыми выступами в форме кольца 9 с тангенциальными прорезями (каналами) 10. Плоский участок 8 вставки примыкает к плоскости 11 днища поршня 12 с возможно малым зазором при положении поршня в ВМТ. На днище поршня 12 выполнено углубление 13 с цилиндрическим участком 14, в который входит кольцо 8 вставки 7 в конце движения поршня к ВМТ. Плоская часть днища 11 переходит в цилиндрическую часть 14 кромкой 15 с радиусом.
Для предотвращения образования трещин на чугунном поршне от термических напряжений в зоне кромки 15 запрессовывается кольцо 16 из коррозийно-стойкой и термостойкой стали или кромка покрывается коррозийно-стойкой и термостойкой сталью методом плазменного напыления. Учитывая, что кромка 15 при каждом цикле будет интенсивно как разогреваться при сгорании заряда, так и охлаждаться при продувке, то термостойкая сталь должна обладать достаточной пластичностью.
Если тарелка клапана 5 находится внутри кольца 9 вставки 7 или близко к нему при максимальном открытии клапана, то внутренний диаметр кольца определяется:
dв
dкл
dr
dc
S-S=S-S,
где dв - внутренний диаметр кольца,
dкл - диаметр тарелки клапана,
dr - диаметр горловины выпускного канала,
dc - диаметр стержня клапана.
<mrow><mi>d</mi><mi>в</mi><mo>≥</mo><msqrt><mrow><mi>d</mi><mi>к</mi><msup><mi>л</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mi>d</mi><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mi>d</mi><msup><mi>c</mi><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt></mrow>
Предпочтительно угол наклона а оси тангенциального канала к оси, проходящей через центр этой оси и ось цилиндра, составляет 36°-40°.
Дизель работает следующим образом. При продувке цилиндра 1 воздух поступает через продувочные окна 2 тангенциально к цилиндру. За период продувки воздух движется по плоскому участку 11 днища поршня 12 и срывается с кромки 15 в углубление 13 в днище поршня 12 образуя вихри, которые интенсивно охлаждают нагретое днище поршня. Охлаждение поршня микровихрями холодного продувочного воздуха позволяет избежать перегрева поршня и снимать большую мощность с цилиндра.
При продувке отработавшие газы вытесняются из цилиндра через выпускной клапан 5.
При подходе поршня к ВМТ воздух отсекается от камеры сгорания кольцом 9 и цилиндрической частью 14 углубления 13 на днище поршня 12. Так как движение поршня к ВМТ продолжается, то воздух вытесняется в камеру сгорания через тангенциальные прорези (каналы) 10.
По мере движения поршня к ВМТ высота каналов 10 уменьшается и скорость истечения воздуха в камере сгорания достигает максимальных значений и при срыве потока с кромок каналов и с торца кольца образовавшиеся микровихри имеют большую энергию. В это время две форсунки 6 впрыскивают топливо в камеру сгорания в направлении вращения продувочного воздуха и тангенциального истечения воздуха через канал 10. Масса воздуха превышает массу топлива как минимум в 20 раз, поэтому энергии большого количества микровихрей достаточно для тонкого дробления и распыливания топлива и равномерного распределения смеси топлива и воздуха по всему объему камеры сгорания. Такая организация рабочего процесса обеспечивает интенсивное смесеобразования и сгорание и препятствует образование сажи и твердых частиц, что позволяет повысить бездымное сгорание заряда с меньшим коэффициентом избытка воздуха.
Кроме того снижается расход топлива за счет повышения к.п.д. цикла. Достигается повышение литровой мощности, увеличение ресурса дизеля, снижение расхода топлива, уменьшение выбросов твердых частиц и окислов азота, снижение уровня шума без дополнительных капитальных затрат и существенного изменения технологии действующего производства, а также предложенный двухтактный дизель может быть внедрен при ремонте дизеля с заменой поршня. Кроме того, появляется возможность применения тяжелых (вязких) сортов топлива.