Двухтактный турбодизель и способ его работы

 

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.

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.

Формула изобретения

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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8