Продув двигателя


Продувка в двухтактном двигателе

  Из четырех тактов современного двигателя только один фактически полезный рабочий ход. Не слишком ли это расточительно? Добавим к этому усложнение конструкции за счет наличия четырех, а иногда и пяти клапанов на цилиндр, их привода, проблемы с обслуживанием этой системы газообмена. С этой точки зрения идеальным является двухтактный двигатель: у него нет "паразитных" ходов — впуска и выпуска, нет механизма газораспределения (кроме двигателя с клапанно-щелевой продувкой). Газообмен происходит, когда поршень приближается к НМТ. По принципу подачи продувочного воздуха или топливовоздушной смеси двигатели делятся на три типа: с кривошипно-камерной продувкой (иногда с дополнительным поршнем), с автономным нагнетателем, с аэродинамической, настроенной системой продувки (принцип Каденаси).

  Кривошипно-камерная продувка применяется для двигателей с малым рабочим объемом цилиндров. Основное преимущество — простота конструкции. Недостаток — низкая на некоторых режимах эффективность продувки, повышенный расход масла, подаваемого в кривошипную камеру для смазки цилиндро-поршневой группы и кривошипно-шатунного механизма. Применяются следующие схемы систем впуска в кривошипную камеру: через окна в нижней части цилиндра, перекрываемые юбкой поршня, через пластинчатые клапаны, через золотниковый механизм. Часто используются наиболее эффективные комбинированные системы управления впуском. Продувки от автономного нагнетателя целесообразно применять в двигателях в системах продувки с несимметричными фазами газораспределения.

  Среди многочисленных схем продувки следует выделить следующие:

1. Контурная продувка имеет ряд разновидностей. Наиболее распространенная возвратно-петлевая продувка. Реже применяется высотная и дефлекторная (с выступом на днище поршня). Недостаток — не высокое качество продувки, потеря части заряда из-за симметричных фаз газообмена (выпускные окна закрываются после продувочных).

2.П-образная иди Л-образная продувка. На рис. приведена схема двигателя рекордно-гоночного автомобиля, на котором было установлено 17 рекордов скорости СССР, 3 рекорда превышали международные рекорды. Недостатком является повышенная температура поршня в зоне выпускного окна.

3.Клапанно-щелевая или клапанная продувка. Недостатки — сложность конструкции, высокая температура выпускных клапанов и, соответственно, повышенная склонность к аномальным процессам сгорания.

4. Прямоточная продувка с противоположно расположенными поршнями. Недостатком является сложность кривошипно-шатунного механизма, повышенная температура поршня и выпускных окон. Преимуществом последних трех схем является высокое качество очистки цилиндра от отработавших газов и возможность сделать фазы несимметричными (закрытие выпускных окон после продувочных), что обеспечивает дозарядку цилиндра на (фазе продувки.)

  К числу преимуществ всех двухтактных двигателей по сравнению с четырехтактными относятся: простота конструкции, при равной литровой мощности максимальные значения давления и температуры в заряда в цилиндре значительно меньше. Поэтому «пиковые» нагрузки на детали трансмиссии почти в два раза меньше. Кроме того, за счет снижения температуры заряда уменьшается выброс в атмосферу оксидов азота, которые в несколько десятков раз более токсичны, чем окись углерода. Казалось бы масса преимуществ. Но в реальном двигателе их полностью реализовать не удается. Время карбюраторных двухтактных двигателей, с их простотой конструкции, низкой стоимостью, хорошей уравновешенностью, меньшими динамическими нагрузками на трансмиссию и применявшихся на автомобилях Saab и Wartburg, закончилось в конце 60-х годов. Это произошло в основном из-за повышенного выброса СО и СН с отработавшими газами, меньшего ресурса, повышенного расхода масла. Однако последнее время многие ведущие фирмы создали опытные образцы двигателей, имеющих хорошие мощностные, экономические и экологические показатели в основном за счет особенностей двухтактного цикла, применения непосредственного впрыска бензина в цилиндр и послойного распределения смеси в цилиндре. При этом исключаются потери части топливовоздушного заряда при продувке.

  Работы по двухтактным двигателям с непосредственным впрыском топлива велись десятки лет. Одной из первых работ в этом направлении были исследования, проведенные на одноцилиндровой установке 2Н82 с рабочим объемом цилиндра 396 см3. Применение клапанно-щелевой продувки и объемного нагнетателя типа Рутс с приводом от электромотора позволяло осуществлять не только эффективную продувку, но и наддув. Для создания около свечи обогащенной смеси на днище поршня была выполнена полусферическая выемка. Читать далее >>>

  Увеличение мощности двигателя    на главную        0-100 км/ч    0-100  

zero-100.ru

способ продувки рабочих цилиндров двигателя внутреннего сгорания и выхлопная система двигателя внутреннего сгорания для осуществления этого способа - патент РФ 2089738

Использование: изобретение относится к двигателестроению, в частности к способам продувки рабочих цилиндров двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: для более глубокой очистки камеры сгорания цилиндра, осуществляющего впуск свежего заряда в период, когда выпускной клапан еще открыт, сообщают магистралью коллектор этого цилиндра с коллектором того цилиндра, который в данный момент осуществляет выпуск отработавших газов в выпускную систему двигателя внутреннего сгорания. За счет эжекторного разряжения увеличивается интенсивность отсоса продуктов сгорания из камеры цилиндра, что приводит к увеличению коэффициента цилиндра свежим зарядом. Для этого осуществляют перекрытие тех коллекторов, цилиндры которых не участвуют в данный момент в процессе выпуска отработавших газов. Это позволяет расходовать энергию выходящих отработавших газов для создания разряжения именно в том коллекторе, в цилиндр которого поступает свежий заряд при открытом выпускном клапане. 2 с., 2 з. п. ф-лы, 5 ил. Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в выхлопных системах двигателей внутреннего сгорания для обеспечения более глубокой очистки цилиндров от продуктов сгорания. Известен способ продувки рабочих цилиндров двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что при выпуске отработавших газов одного из цилиндров через коллектор этого цилиндра в основную выхлопную трубу осуществляют эжекторным путем разряжение в коллекторе другого цилиндра, начавшего впуск свежего заряда (см. заявку Великобритании N 2093524, F02B27/04, F1B, 1982 г.). Настоящий способ позволяет при работе двигателя внутреннего сгорания осуществлять дополнительное разряжение в коллекторе того цилиндра, в котором начался такт впуска свежего заряда, но выпускной клапан еще не закрыт, при этом разряжение осуществляется за счет эжекторного действия потока отработавших газов цилиндра, осуществляющего такт выпуска. Недостатком этого способа является то, что все коллекторы и связывающие их магистрали сообщены между собой в общую систему, обеспечивающую эффект разряжения во всей системе при выпуске отработавших газов одного цилиндра. Это снижает эффективность отсоса продуктов сгорания из того цилиндра, в котором открылся клапан впуска и началась подача свежего заряда. Степень разряжения, создаваемая эжекторным действием отходящих газов, по величине невелика и ее не хватает на всю разветвленную сеть коллекторов и магистралей выпускной системы двигателя внутреннего сгорания. Целесообразно было бы это разряжение использовать только на один цилиндр, именно тот, в котором начался такт впуска свежего заряда. В том случае существенно повышается степень очищения камеры этого цилиндра от остаточных газов. Кроме того, недостатком такого способа является то, что при создании даже небольшого разряжения в системе в целом появляется возможность возврата отработавших газов из выхлопной трубы в коллекторы. Происходит замыкание потока выхлопа с частичным его возвратом в зону разряжения, но уже в другой коллектор. Известна выхлопная система двигателя внутреннего сгорания, осуществляющая указанный способ продувки рабочих цилиндров. Эта система описана в заявке Великобритании N 2093524 и содержит по количеству цилиндров коллекторы, сообщенные с выпускными окнами цилиндров и каждый из которых сообщен с основной выхлопной трубой, при этом коллектор каждого цилиндра сообщен магистралью с коллектором другого цилиндра, такт впуска свежего заряда которого совпадает с началом такта выпуска отработавших газов первого цилиндра, а в зоне соединения коллектора с магистралью на внутренней стенке коллектора выполнен наклонный отражательный щиток для ускорения потока отработавших газов. Недостатки данной системы выпуска отработавших газов и продувки цилиндров те же, что присущи и рассмотренному способу. Настоящее изобретение направлено на решение следующих технических задач: создание разряжения в коллекторе того цилиндра, в котором начался впуск свежего заряда, для более глубокой очистки камеры цилиндра от продуктов сгорания и изолирование всех цилиндров, в которых не начался процесс выпуска отработавших газов, от основной выхлопной трубы для исключения повышения давления от возврата отработавших газов. Получаемый при этом технический эффект заключается в улучшении наполнения цилиндров свежим зарядом и увеличении механической отдачи двигателя внутреннего сгорания. Указанный технический эффект обеспечивается тем, что в способе продувки рабочих цилиндров двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что при выпуске отработавших газов из цилиндра через коллектор этого цилиндра в основную выхлопную трубу осуществляют эжекторное разряжение в коллекторе цилиндра, начавшего впуск свежего заряда, при выпуске отработавших газов из указанного первым цилиндра перекрывают выходы коллекторов других цилиндров в основную выхлопную трубу. Кроме того, при закрытии выпускного клапана цилиндра, начавшего впуск свежего заряда, перекрывают канал сообщения коллектора этого цилиндра с коллектором цилиндра, осуществляющего выпуск отработавших газов в основную выхлопную трубу. Для реализации этого способа с целью достижения указанного эффекта необходимо чтобы в выхлопной системе двигателя внутреннего сгорания, содержащей по количеству цилиндров коллекторы, сообщенные с выпускными окнами цилиндров и каждый из которых сообщен с основной выходной трубой, при этом коллектор каждого цилиндра сообщен магистралью с коллектором другого цилиндра, такт впуска свежего заряда которого совпадает с началом такта выпуска отработавших газов первого цилиндра, а в зоне соединения коллектора с магистралью на внутренней стенке коллектора выполнен наклонный отражательный щиток для ускорения потока отработавших газов, каждый коллектор сообщен с основной выхлопной трубой через газодинамический замок, представляющий собой редукционный клапан с функцией открытия от давления в коллекторе. Целесообразно, чтобы в каждой магистрали каждого цилиндра был установлен управляемый кран с функцией открытия от положения впускного и выпускного клапанов этого цилиндра. Указанные признаки в способе и в устройстве являются существенными и взаимосвязанными с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, однозначно характеризующих заявленное предложение и возможность достижения указанного эффекта. Так, например, в способе перекрытие выходных отверстий коллекторов всех цилиндров, кроме того, который работает на выпуск отработавших газов, позволяет осуществить более глубокое разряжение в замкнутой системе выхлопа двигателя, не расходуя энергии на компенсацию повышения давления от возвратных газов. Это позволяет более интенсивно провести процесс отсоса продуктов сгорания из камеры цилиндра, начавшего впуск свежего заряда при открытом еще выпускном клапане. Введение перекрытия магистралей позволяет целенаправленно отсасывать продукты сгорания, не расходуя при этом энергии на разряжение в коллекторах других цилиндров, не сохраняя в них ранее достигнутый уровень разряжения. Это позволяет усилить процесс вывода продуктов сгорания из цилиндров. Эти рассуждения справедливы и для устройства, реализующего указанный способ. На фиг. 1 общий вид выпускной системы двигателя внутреннего сгорания; на фиг. 2 показана зона соединения коллектора с магистралью и цилиндром; на фиг. 3 пример исполнения газодинамического замка; на фиг. 4 управляемый кран магистрали; на фиг. 5 часть индикаторной диаграммы, относящаяся к процессу газообмена. Заявляемый способ продувки рабочих цилиндров двигателя внутреннего сгорания рассматривается применительно к четырехтактному двигателю с порядком работы цилиндров 1-3-4-2 (см. фиг. 1). В основе способа лежит особенность действительного процесса работы двигателя внутреннего сгорания, отраженного на индикаторной диаграмме, относящейся к процессу газообмена (см. фиг. 5). В действительном цикле выпуск происходит не мгновенно: выпускной клапан открывается в точке 3, т.е. до прихода поршня в н.м.т. и закрывается в точке 4, т. е. после прохода поршнем в н.м.т. В точке 3 диаграммы давление газов в цилиндре значительно выше атмосферного (0,3-0,5 МПа) и предварением выпуска (участок 3b) обеспечивает удаление отработавших газов. Вследствие этого к приходу поршня в н.м.т. (точка b) давление в цилиндре оказывается значительно ниже давления конца расширения и на последующее удаление газов при перемещении поршня к в.м.т. затрачивается меньшая работа. В конце выпуска скорость истечения отработавших газов все еще велика (60-100 м/с). Поэтому запаздывание выпуска (участок r4) улучшают очистку цилиндра за счет инерции газов. Степень заполнения цилиндра свежим зарядом оценивают коэффициентом наполнения, представляющим собой отношение количества свежего заряда, фактически поступившего в цилиндр, к количеству заряда, которое могло бы заполнить рабочий объем. Для того, чтобы улучшить наполнение цилиндра свежим зарядом, стремятся уменьшить давление в конце выпуска. Кроме того впускной клапан открывают до прихода поршня в в.м.т. (точка 1 на фиг. 5), а закрывают после прохода поршнем н.м.т. (точка 2). Опережение открытия впускного клапана необходимо для того, чтобы к моменту, когда поршень во время движения к н. м.т. займет положение, соответствующее точке 4, клапан был бы открыт возможно дольше и не затруднял поступление свежего заряда в цилиндр. Таким образом видно, что в четырехтактном двигателе имеет место совпадение процессом по времени: открытие выпускного клапана одного цилиндра (участок 3b) процесс выпуска отработавших газов с высокой скоростью и большим давлением и открытие впускного клапана другого цилиндра при незакрытом выпускном клапане этого же цилиндра (участок 1-4). Перекрытие указанных процессов применительно к взятому в качестве примера двигателю с порядком работы цилиндров 1-3-4-2 имеет место в следующем виде: 1 цилиндр (выпуск) и 2 цилиндр (впуск), 3 цилиндр (выпуск) и 1 цилиндр (впуск), 4 цилиндр (выпуск) и 3 цилиндр (впуск), 2 цилиндр (выпуск) и 4 цилиндр (впуск). Таким образом видно, что по крайней мере в двух цилиндрах (например, в первом и втором) одновременно открыты оба выпускных клапана, сообщающих камеры рабочих цилиндров с выхлопной трубой. При этом из первого цилиндра поступают отработавшие газы под большим давлением и с высокой скоростью, а из второго остаточные газы за счет инерции в условиях значительно сниженного давления. Если сообщить оба коллектора между собой, то возможно организовать эжекторное разряжение в коллекторе второго цилиндра, используя для этого энергию отработавших газов первого цилиндра. В этом случае к инерционному процессу выхода продуктов сгорания из второго цилиндра прибавится эффект отсасывания этих продуктов, что приводит к уменьшению давления во втором цилиндре. Согласно способа продувки рабочих цилиндров двигателя внутреннего сгорания при выпуске отработавших газов из первого цилиндра через коллектор этого цилиндра в основную выхлопную трубу осуществляют эжекторное разряжение в коллекторе того цилиндра, в котором начался процесс впуска свежего заряда, при этом коллекторы всех цилиндров, кроме первого, перекрывают с тем, чтобы исключить разгерметизацию в коллекторах, достигнутую за счет эжекторного воздействия выходящего высокоскоростного потока отработавших газов из первого цилиндра. Затем этот процесс повторяется применительно к цилиндрам 3-1, где в цилиндре 3 осуществляется выпуск газов, а в цилиндре 1 впуск свежего заряда. При этом все коллекторы, кроме коллектора цилиндра 3, перекрыты и не имеют сообщения с выхлопной трубой. Таким образом обеспечивается снижение давления в цилиндре, осуществляющем начало такта впуска свежего заряда по сравнению с традиционно принятыми системами продувки. Обращается внимание на то, что перекрытие коллекторов цилиндров, не участвующих в выпуске отработавших газов, позволяет исключить возможность повышения давления за счет возврата газов. При этом вся энергия выходящих отработавших газов используется на разряжение замкнутой системы, а не разомкнутой, как это имеет место в прототипе. При системе, имеющей замкнутый объем, процесс разряжения имеет большую интенсивность и более ярко выраженный вид. Обращается внимание на то, что с увеличением количества цилиндров увеличивается разветвленность коллекторной системы. Поэтому процесс снижения давления за счет эжекторного воздействия отходящих газов цилиндра в такой сильно разветвленной системе существенно падает и теряет его эффективность. В этом случае целесообразно согласно способу по изобретению сохранить воздействие газов только на один цилиндр и только на его коллектор. В этом случае перекрывают магистрали связи коллекторов между собой, оставляя открытым только ту связь, которая сообщает коллектор цилиндра в такте выпуска с коллектором цилиндра в такте впуска свежего заряда. Тогда вся энергия по созданию разряжения будет расходоваться на откачивание продуктов сгорания только на один цилиндр, а не на всю коллекторную систему двигателя внутреннего сгорания. Способ иллюстрируется устройством выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания, представляющим собой один из возможных примеров исполнения. Каждый цилиндр двигателя внутреннего сгорания (см. фиг. 1) связан в зоне выпускного окна с отдельным коллектором 2, через газодинамический замок 3 сообщенный с отводными каналами 4. Отводные каналы 4 связаны через муфту 5 с выхлопной трубой 6. При этом коллектор 2 сообщен с соответствующим ему коллектором другого цилиндра через магистраль 7. Соответствие связей коллекторов между собой определяется порядком работы цилиндров. В представленном примере определен следующий порядок: 1-3-4-2. Следовательно, коллектор первого цилиндра сообщен с коллектором второго цилиндра, коллектор третьего цилиндра сообщен с коллектором первого цилиндра, коллектор четвертого цилиндра сообщен с коллектором третьего цилиндра, коллектор второго цилиндра сообщен с коллектором четвертого цилиндра. Таким образом, магистрали 7 направлены на сообщение коллекторов тех цилиндров, в которых по установленному порядку имеет место перекрытие процессов выпуска отработавших газов и впуска свежего заряда. Каждая магистраль 7 подключена определенным образом. Так магистраль 7 между первым и вторым цилиндрами связана одним концом с коллектором первого цилиндра в зоне гидродинамического замка, а другим концом в зоне выпускного окна второго цилиндра (см. фиг. 2). В месте соединения магистрали 7 с коллектором 2 в зоне выпускного окна цилиндра (см. фиг. 2) выполняется наклонный отражательный щиток 8, образующий участок усеченно-конической формы. Это позволяет увеличить скорость потока отработанных газов с целью создания эжекторного разряжения в магистрали 7. Коллекторы связаны с отводными каналами через газодинамический замок (см. фиг. 3), основной задачей которого является открытие канала отвода газов в выхлопную трубу в процессе выпуска отработавших газов и закрытие этого канала при работе цилиндра в режиме других тактов. В качестве примера исполнения такого замка использован редукционный клапан, работающий от давления на его входе. Этот клапан содержит установленную в канале заслонку 9, смонтированную с возможностью поворота на оси, кинематически связанной (поз. 10) с поршнем 11, установленным в камере 12. Камера 12 сообщена каналом 13 с внутренней полостью коллектора 2. При истечении из цилиндра отработавших газов под большим давлением и с высокой скоростью газ оказывает давление через канал 13 на поршень 11, который перемещается по камере 12 и поворачивает заслонку 9, открывающую проход отработавшему газу. После падения давления в коллекторе 2 поршень возвращается в прежнее исходное положение, в котором заслонка 9 перекрывает клапан сообщения с выхлопной трубой. Возврат поршня может быть организован любыми известными средствами, например, пружиной, подачей противодавления от канала другого цилиндра, работающего на выпуск, или введением разницы между массами нижней части заслонки и верхней части заслонки с связью и поршнем (по типу игрушки "неваляшки"). В этом случае при падении давления за счет более утяжеленной нижней своей части заслонка повернется и возвратит поршень в исходное положение. Соответствующим подбором размеров камеры, поршня и канала обеспечивают режим работы газодинамического замка, при котором открытие заслонки происходит при повышении давления в коллекторе. Возможна установка крана перекрытия магистрали 7 с функцией открытия и закрытия от положения впускного и выпускного клапанов цилиндра. Этот кран монтируется в магистрали цилиндра, в зоне его выпускного окна. Установка этого крана позволяет перекрывать магистраль 7 (см. фиг. 4) сразу же после закрытия выпускного клапана цилиндра с тем, чтобы сохранить созданное в коллекторе этого цилиндра разряжение (область низкого давления) и исключить повышение давления вследствие работы других цилиндров. Кран представляет собой поворотно установленную заслонку 14, имеющую кинематическую связь с толкателем 15, на который воздействует кулачок 16 распределительного вала 17, несущего кулачки 18 воздействия на впускные и выпускные клапаны цилиндра. Кулачок 16 в данном варианте выполняется на том же распределительном валу, что и кулачки открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов. Это позволяет увязать положение клапанов на участке 1r4 диаграммы (фиг. 5), когда они открыты, с открытием заслонки 14 в магистрали 7 этого же цилиндра. Возможны и другие варианты исполнения. Данный пример представлен для иллюстрации возможности решения этой проблемы, т.е. увязки положения заслонки с положением впускного и выпускного клапанов. Выхлопная система двигателя внутреннего сгорания, реализующая предложенный способ продувки цилиндров, работает следующим образом. При открытии выпускного клапана первого цилиндра поток отходящих газов с большим давлением и большой скоростью устремляется по своему коллектору 2 в направлении газодинамического замка. Повышение давления в этом коллекторе приводит к перемещению поршня 11 и открытию клапана в выхлопную трубу за счет поворота заслонки 9. Поток отработавших газов поступает в глушитель. Гидродинамические замки в других коллекторах перекрывают каналы связи с выхлопной трубой вследствие недостаточности давления в соответствующих им коллекторах. Одновременно во втором цилиндре происходит начало впуска свежего заряда при открытом выпускном клапане. За счет связи коллекторов этих цилиндров магистралью 7 происходит разряжение в коллекторе 2 второго цилиндра, которое увеличивает интенсивность отсоса продуктов сгорания из камеры этого цилиндра, одновременно уменьшается давление и в других коллекторах, т.е. третьего и четвертого цилиндров, так как все коллекторы объединены между собой в замкнутую систему. После закрытия выпускного клапана второго цилиндра процесс выхода отработавших газов идет по угасающей с последующим перекрытием заслонкой 9 канала этого коллектора. При выпуске продуктов сгорания из третьего цилиндра процесс разряжения повторяется применительно к первому цилиндру, в котором начался впуск свежего заряда и к всей системе коллекторов в целом. При введении в магистрали 7 каждого цилиндра в зоне его выпускного окна крана с функцией открытия и закрытия от положения клапанов этого цилиндра обеспечивается разделение замкнутой системы коллекторов на подсистемы замкнутого вида. В этом случае при выпуске отработавших газов из первого цилиндра разряжение будет создаваться только в коллекторе второго цилиндра, так как все другие магистрали перекрыты. Это позволяет осуществить более глубокое очищение камеры сгорания второго цилиндра. При выпуске отработавших газов из третьего цилиндра эжекторное разряжение будет организовано в коллекторе первого цилиндра, так как все другие магистрали, в том числе и ранее открытая магистраль между первым и вторым цилиндром, перекрыты. Настоящее изобретение позволяет увеличить механическую отдачу двигателя внутреннего сгорания за счет улучшения наполнения рабочего цилиндра свежим зарядом.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ продувки рабочих цилиндров двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что при выпуске отработавших газов из цилиндра через коллектор этого цилиндра в основную выхлопную трубу осуществляют эжекторное разрежение в коллекторе цилиндра, начавшего впуск свежего заряда, отличающийся тем, что при выпуске отработавших газов из указанного первым цилиндра перекрывают выходы коллекторов других цилиндров в основную выхлопную трубу. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при закрытии выпускного клапана цилиндра, начавшего впуск свежего заряда, перекрывают канал сообщения коллектора этого цилиндра с коллектором цилиндра, осуществляющего выпуск отработавших газов в основную выхлопную трубу. 3. Выхлопная система двигателя внутреннего сгорания, содержащая по количеству цилиндров коллекторы, сообщенные с выпускными окнами цилиндров и каждый из которых сообщен с основной выхлопной трубой, при этом коллектор каждого цилиндра сообщен магистралью с коллектором другого цилиндра, такт впуска свежего заряда которого совпадает с началом такта выпуска отработавших газов первого цилиндра, а в зоне соединения коллектора с магистралью на внутренней стенке коллектора выполнен наклонный отражательный щиток для ускорения потока отработавших газов, отличающаяся тем, что каждый коллектор сообщен с основной выхлопной трубой через газодинамический замок, представляющий собой редукционный клапан с функцией открытия от давления в коллекторе. 4. Система по п. 3, отличающаяся тем, что в каждой магистрали каждого цилиндра установлен управляемый кран с функцией открытия и закрытия от положения впускного и выпускного клапанов этого цилиндра.

www.freepatent.ru

Система продувки двигателей подвесных моторов

Если процессы сжатия, сгорания и расширения в двух и четырехтактных двигателях аналогичны, то очистка цилиндра от остаточных газов и наполнение его свежей смесью у них существенно различаются. В четырехтактном двигателе основная масса остаточных газов вытесняется поршнем при его ходе к ВМТ (верхней мертвой точке). В двухтактном двигателе отработанные газы вытесняются свежей смесью, предварительно сжатой в картере, при открытых продувочных и выхлопных окнах, т. е. продувка и выпуск происходят одновременно. При больших конструктивных преимуществах такая система очистки имеет и свои минусы: свежая смесь частью смешивается с остатками продуктов сгорания, а частью вылетает в атмосферу через выпускную систему. Чтобы свести к минимуму эти нежелательные явления при наилучшей очистке цилиндра от остаточных продуктов сгорания, конструкторами двухтактных двигателей разработаны различные системы продувки цилиндра.

Таких систем несколько: контурная, в которой поток продувочной смеси движется по контуру цилиндра, прямоточная с движением смеси от одного конца цилиндра к другому и др.

В настоящее время в двухтактных двигателях подвесных лодочных моторов повсеместно применяется возвратно-петлевая схема продувки. Здесь рабочая смесь направляется из нижней части цилиндра в верхнюю, описывает петлю и выталкивает отработавшие газы. Петлевая схема продувки конструктивно проста — это и определило ее выбор для лодочных и мотоциклетных двигателей, хотя она и характеризуется наличием непродутых зон в цилиндре в большей степени, чем прямоточная и контурная.

Как же протекает процесс продувки? Свежая смесь из кривошипной камеры через продувочные каналы устремляется в цилиндр. Сначала потоки поступающей смеси поднимаются вверх, направляясь по стенке цилиндра к головке. По мере движения поршня вниз струи продувочной смеси отклоняются от стенки и направляются к противоположной стороне цилиндра. Далее продувочные струи сталкиваются и ударяются в стенку, противоположную выпускному окну, поток обтекает камеру сгорания и спускается вдоль стенки к выпускному окну.

Для хорошей очистки необходимо, чтобы восходящая часть потока заняла одну половину вертикального сечения цилиндра, а нисходящая — другую. Практически осуществить это очень трудно. Неустановившийся продувочный поток имеет различную скорость по своему сечению: максимальное ее значение — у стенки, противоположной выпускному окну, снижается в слоях, лежащих ближе к центру. В центральной части цилиндра могут остаться непродутыми застойные и вихревые зоны.

Вид продувочного потока в цилиндре зависит от ширины и высоты окон и от продолжительности их открытия (так называемое «время-сечение» окна), от формы продувочных каналов, определяющих углы входа продувочных струй в цилиндр, от формы днища поршня и камеры сгорания. Чтобы вытеснить отработавшие газы, не перемешиваясь с ними, продувочные струи должны быть компактными и обладать достаточной энергией. Эта энергия тем выше, чем больше разность давлений в кривошипной камере и цилиндре во время открытия продувочных окон (т. е. степень сжатия в картере), и чем меньше потери в продувочных каналах. Если энергия лодочных моторов наиболее распространенным видом петлевой продувки является двухканальная.

Продувочный канал образован наружной, внутренней и боковыми и стенками. По результатам многочисленных экспериментальных работ выбраны оптимальные углы наклона этих стенок. В большинстве случаев боковая стенка расположена под углом 55-60° к оси симметрии горизонтального сечения, а боковая стенка под несколько меньшим углом или параллельно ей. Наклон стенки 3 составляет 10-15° и близок к направлению касательной к сфере днища поршня у его кромки. В том случае, если углы входа продувочных каналов выполнены неправильно, количество остаточных газов увеличивается, а струи свежей смеси, прижимаясь к стенкам цилиндра, попадают в выпускное окно — так называемый прямой выброс свежей смеси. Это приводит к увеличению расхода топлива и уменьшению мощности. Не меньшее значение имеет симметричность продувочных окон и углов входа продувочных каналов относительно выпускного окна. Несимметричность входящих в цилиндр потоков приводит к появлению завихрений и нежелательному перемешиванию свежей смеси с отработавшими газами.

О качестве продувки в двигателе и, в частности, о симметричности выполнения продувочных каналов, можно судить по следам от продувочных струй и нагару в местах, не омываемых продувочной смесью на днище поршня и камеры сгорания.

Гидравлические потери в продувочных каналах стремятся свести к минимуму, поэтому поперечное сечение продувочных каналов и окон должно быть как можно большим. Так как увеличение высоты продувочных, а следовательно, и выхлопных окон связано с уменьшением полезного объема цилиндра, сечение продувочного окна увеличивают за счет его ширины. Увеличение же ширины ограничено величиной, равной 0,45 диаметра цилиндра (при дальнейшем ее увеличении возникает опасность выдавливания поршневого кольца в окна). При большей ширине в окне делается перемычка.

При выборе фаз продувки, т. е., в конечном счете, высоты выхлопных и продувочных окон, принимается в расчет величина перемещения поршня от открытия выхлопных окон до начала открытия продувочных — так называемое предварение выпуска.

Более раннее открытие продувочных окон (увеличение их высоты) сдвигает максимальное значение крутящего момента в сторону меньших скоростей вращения коленчатого вала. При слишком малом предварении выпуска давление в цилиндре может оказаться выше, чем давление в картере, и при открытии продувочных каналов выхлопные газы попадут по ним в картер, вызвав его дополнительный нагрев и ухудшив наполнение.

Величина оптимальной фазы продувки в двухтактных двигателях различных лодочных моторов неодинакова и находится в пределах 110-120° («Салют» — 112°, «Ветерок-8» — 110°, «Ветерок-12» — 114°, «Нептун» — 121°, «Москва-25» — 119°).

Для гоночных лодочных моторов, работающих на высоких оборотах, величина фазы продувки возрастает до 125-135°.

Говоря о видах продувки, применяемых в конструкциях лодочных моторов, следует отметить отличие петлевой дефлекторной продувки (рис. 1, а), где направление потока смеси задается козырьком на поршне (дефлектором), от продувки, в которой направление струй определяется формой и наклоном продувочных каналов. Первый вид продувки использован на лодочных моторах «Ветерок», «Москва-М», «Москва-25», «Прибой» и на большинстве американских моделей. Второй — на моторах «Нептун», «Салют», «Вихрь-М», «Ветерок-14», на шведских и японских моделях.

(рис. 1) Дефлекторная (а) и возвратно-петлевая трехканальная (б) продувка моторов «Вихрь»

К преимуществам дефлекторной продувки можно отнести простоту конструкции и технологичность, так как продувочные и выхлопные окна выполняются простым сверлением. К недостаткам — менее благоприятную в отношении смесеобразования форму камеры сгорания, которая хуже продувается из-за сложной конфигурации, большой вес и повышенную температуру днища поршня из-за наличия дефлектора.

При направлении смеси продувочными каналами очистка камеры сгорания получается более эффективной. Этому способствует простая плоская или несколько выпуклая форма днища поршня и сферическая форма камеры сгорания, позволяющая производить ее механическую обработку, в результате чего более точно взддерживается необходимая степень сжатия. Технологические трудности выполнения совпадения продувочных каналов и окон в гильзе окупаются получением более высоких показателей мощности и экономичности. На рис. 1, б показана трехканальная петлевая продувка мотора «Вихрь-30».

При двух- и трехканальной петлевой продувке очень важно точно направить продувочные струи при выходе из окон в камеру сгорания. На направление струи влияют в основном длина участка 3 (рис. 3) и величины радиусов канала, особенно у внутренней стенки. Длина прямого участка стенки 3 должна быть не меньшей, чем ширина продувочного окна. Внутренней стенкой продувочного канала 5 в большинстве случаев служит сама гильза. Стремясь увеличить внутренний радиус канала и создать направляющую часть у входа в цилиндр прибегают к так называемой «отдаленной» продувке. Так выполнены продувочные каналы «Ветерков» и ряда гоночных моделей мотоциклетных двигателей. В таких каналах, благодаря большим радиусам внутренней и наружной стенок, создается большая длина направляющей части и становится возможной настройка продувочных каналов на высокое число оборотов коленвала .

Из двух каналов с одинаковыми поперечными сечениями входа и выхода канал с большим радиусом поворота будет оказывать значительно меньшее аэродинамическое сопротивление потоку продувочной смеси. Как показали испытания, более плавные повороты каналов мало влияют на максимальную мощность, но значительно повышают ее в диапазоне средних и низких скоростей вращения двигателя. При отработке продувочного канала необходимо также бороться с любым отрывом потока от стенок (чаще всего от внутренней стенки канала).

В последнее время получает все большее распространение петлевая продувка с одним или несколькими дополнительными каналами, располагаемыми напротив выпускного окна (рис. 3). Добавочные каналы располагаются обычно под углом 45-60° к вертикали. Продувочные струи этих каналов отжимают поток газов в верхней части к центру цилиндра и способствуют очистке центральных непродутых зон. По результатам исследований, проведенных на мотоциклетных двигателях, применение третьего продувочного канала позволяет увеличить мощность двигателя на 7-12 %. Увеличение мощности с 20 до 23 л.с. на отечественном подвесном моторе «Нептун-23» было также достигнуто в основном за счет замены двухканальной продувки на трехканальную. Прохождение смеси в добавочный канал через поршень улучшает к тому же смазку верхней головки шатуна и охлаждение поршня.

Размещение дополнительных продувочных каналов на зеркале цилиндра связано с определенными конструктивными трудностями, особенно при поршневом управлении впуском. При золотниковом управлении подвод топливной смеси производится сбоку картера и это намного упрощает размещение добавочных продувочных каналов.

На процесс продувки определенное влияние оказывает и форма камеры сгорания. Полусферическая камера сгорания, применяющаяся на большинстве двухтактных двигателей, не является лучшим решением. Она обеспечивает ровное протекание свежей смеси и тем самым не препятствует ее «вылетанию» в выпускное окно. Усложненная же форма камеры сгорания, обусловленная применением дефлекторной продувки, способствует образованию застойных, непродуваемых зон. Наилучшие результаты были получены при смещении полусферы в головке цилиндров. Такая конструкция была использована при разработке мотора «Ветерок-14».

Возможна ли некоторая доводка системы продувки двигателя своими силами? Безусловно.

(рис. 2) Размещение дополнительного продувочного канала

1 — основной продувочный канал, 2 —дополнительный продувочный канал

Дело в том, что при изготовлении картеров, блоков цилиндров, вставок продувочных каналов применяются несколько комплектов кокилей или пресс-форм и возможны некоторые несовпадения по контурам деталей, отлитых на разной литейной оснастке. К этому же могут привести и технологические отклонения при механической обработке деталей.

Довести детали, образующие продувочный канал, до полного совпадения контуров можно собственными силами. Следует стремиться к тому, чтобы в продувочном канале не было уступов и неровностей более 0,5 мм, чтобы контур продувочного окна в гильзе совпадал с контуром окна в отливке блока цилиндров. Можно улучшить вход смеси в продувочный канал, сняв фаску с гильзы цилиндра в этом районе. Очень тщательно следует подогнать вставку в продувочном канале моторов «Ветерок», «Москва», «Прибой» для обеспечения правильного направления продувочной струи при выходе из канала.

Не следует, однако, увлекаться излишней полировкой продувочных каналов. Спортсменам-водномоторникам известны, например, случаи уменьшения мощности гоночных двигателей «Кениг» после полировки продувочных каналов, имевших довольно-таки грубую поверхность после литья (возможно, при этом была нарушена форма канала).

www.wherry.ru

Продувочные и наддувочные насосы

Для продувки двухтактных дизелей применяют продувочные на­сосы, которые по конструкции бывают поршневые, центробежные и ротативные.

Поршневой продувочный насос состоит из неохлаждаемого ци­линдра, поршня, автоматических всасывающих и нагнетательных клапанов и впускных и про­дувочных ресиверов. Поршне­вые продувочные насосы про­сты по конструкции, надежны в работе, но обладают боль­шой массой и габаритами и, кроме того, имеют неравно­мерную подачу воздуха. Цен­тробежные насосы применяют в двигателях большой мощно­сти, обеспечивают равномер­ную подачу, но создают боль­шой шум при работе. Широко распространены продувочные насосы ротативиого типа. Эти насосы просты по конструк­ции, компактны, обеспечивают равномерную подачу воздуха. Приводятся в действие от дви­гателя через зубчатую или цепную передачи.

Принцип работы ротатив­иого насоса (рис. 183) состоит в следующем: через всасывающий патрубок 7 воздух поступает в корпус 6. и противоположно вращающимися роторами 1 и 4 переносятся в нагнетательную полость к патрубку 3. Син­хронность вращения роторов достигается сцеплением шестерен 2 и 5, с которыми они жестко связаны. Применение винтовых рото­ров несколько уменьшает шум при работе этих насосов. Число ро­торов два—четыре. Для двигателей небольшой мощности в качестве продувочного насоса используют картер двигателя. Заса­сывание и сжатие воздуха осуществляется рабочим поршнем.

В настоящее время широко применяют Двигатели с наддувом. Сущность наддува заключается в заполнении цилиндра сжатым в нагнетателе воздухом для повышения мощности за счет сжига­ния увеличенной порции топлива.

Мощность двигателя при наддуве повышается пропорцио­нально давлению наддувочного воздуха (при условии охлаждения его после нагнетателя). Повышение мощности двигателя при над­дуве по отношению к мощности того же двигателя без наддува оценивают по степени наддува ?н, представляющей отношение упомянутых мощностей.

Двигатели выполняются с умеренным наддувом (?н =1,5; рн = 0,13?0,16 Мн/м2), средним (?н =1,5?2,0; рк = 0,16—0,25 Мн/м2) и высоким (?н = 2,0; pк>0,25 Мн/м2).

Наддув в зависимости от привода нагнетателя разделяют на механический, газотурбинный и комбинированный (рис. 184). В двигателях с механическим наддувом (рис. 184, а) центробеж­ный, ротативный или поршневой нагнетатель 1 приводится непо­средственно или через передачу 2 от коленчатого вала дви­гателя. Сжатый в нагнетателе воздух подается к впускному клапану. Механический наддув целесообразен только для давле­ний наддувного воздуха не свыше 0,16—0,17 Мн/м2, так как при больших давлениях резко увеличивается затрата мощности на при­вод нагнетателя (более 10%) и поэтому снижается экономичность двигателя. Механический наддув применяют в четырехтактных и двухтактных двигателях небольшой мощности.

Наиболее эффективным и экономичным является газотурбинный наддув (рис. 184, б). Нагнетатель 1 приводится от газовой тур­бины 2, сидящей с ним на одном валу и составляющей общий агрегат — газотурбонагнетатель (ГТН). Газовая турбина ра­ботает на отработавших газах, поступающих из выпускного кол­лектора. Сжимаемый в нагнетателе атмосферный воздух через впускной клапан поступает в цилиндр двигателя. По способу использования энергии выпускных газов газовые турбины разде­ляются на турбины постоянного и переменного давления (импульс­ные). В первом случае отработавшие газы из всех цилиндров вы­пускаются в общий выпускной коллектор достаточно большой ем­кости и,, расширяясь, приобретают в нем постоянное давление, близкое к давлению конца выпуска; газовая турбина располагается в конце выпускного коллектора. Таким образом, энергия расшире­ния свободного выпуска (в начале выпуска давление 0,25— 0,6 Мн/м2) в турбине почти не используется. Для сохранения этой энергии и использования ее для расширения в турбине последнюю (одну или несколько) устанавливают вблизи цилиндров, а выпуск­ной коллектор разделяют на несколько трубопроводов небольшого сечения. Турбины такого рода называются импульсными. При уме­ренном наддуве равном 0,13—0,15 Мн/м2 приращение мощности от использования энергии импульсов давления составляет 20—30%. С повышением давления наддува эффективность применения им­пульсных турбин резко снижается. Поэтому импульсные турбины в основном применяют в четырех- и двухтактных двигателях с умеренным наддувом.

В четырехтактных двигателях газотурбинный наддув получил широкое распространение как единая система, обеспечивающая падежную работу двигателя на всех режимах. Применение газо­турбинного наддува в двухтактных двигателях встречает ряд за­труднений. Температура выпускных газов у двухтактного двига­теля ниже, чем у четырехтактного, поэтому газовая турбина раз­вивает меньшую скорость. Кроме того, в двухтактном двигателе очистка и наполнение осуществляется только продувочным воз­духом, приготовление которого не может быть обеспечено при пуске и работе двигателя на малых оборотах. Газотурбинный над­дув удалось осуществить в двухтактных двигателях с прямоточ­ной клапанно-щелевой продувкой (Брянского завода), со щелевой продувкой (фирмы Бурмейстер и Вайн) и в двухтактных двига­телях (фирмы Зульцер и Май) путем улучшения организации ра­бочего процесса, уменьшения расхода продувочного воздуха и применения импульсных турбин. При запуске двигателя турбо­компрессор раскручивается пусковым воздухом.

В двухтактных двигателях с контурной продувкой используют комбинированный наддув, сочетающий газотурбинный и меха­нический.

К комбинированным системам наддува относятся:

— последовательная двухступенчатая (рис. 184, в), у которой первая ступень — «свободный» газотурбонагнетатель 1, а вто­рая— нагнетатель 3, приводимый от двигателя (2— воздухоохла­дитель) ;

— параллельная система (рис. 184, г), в которой приводной нагнетатель 3 дополняет по производительности газотурбонагнета­тель 1;

—  система, у которой газотурбонагнетатель 1 имеет кинема­тическую связь с двигателем (рис. 184, д). При этой системе обес­печивается надежный пуск и работа двигателя на малых оборо­тах. Разновидностью этой системы является наддув газотурбона­гнетателем с импульсной турбиной (рис. 184, е).

Применение наддува в двухтактных двигателях позволяет повышать их мощность на 40—70%. В качестве наддувочных применяют насосы конструкций, аналогичных продувочным на­сосам.

В судовых дизелях с наддувом с целью ограничения тепловых нагрузок, а также для повышения экономичности широко приме­няется охлаждение наддувочного воздуха. На рис. 185 показан хо­лодильник воздуха (радиатор). Холодильник одноходовой как по воздуху, так и по воде. Полости для охлаждающей забортной воды образованы корпусом холодильника 2, а также нижней и верхней крышками 1. Рабочий элемент холодильника 3 имеет не­сколько секций, состоящих из плоских оребренных пластинами труб, расположенных в шахматном порядке. По трубам проходит забортная вода.

vdvizhke.ru


Смотрите также