PL201267B1 - Dwusuwowy wysokoprężny silnik spalinowy - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest dwusuwowy wysokopr ezny silnik spalinowy z przep lukiwa- niem wzd lu znym, zw laszcza silnik wysokopr ezny du zej mocy, z co najmniej jednym cylindrem (2), w którym umieszczony jest t lok (3) maj acy mo z- liwo sc przemieszczania si e ruchem posuwisto- zwrotnym, i który to cylinder (2) ma zawór wylo- towy (5) do odprowadzania gazów spalinowych oraz kilka otworów (21) dla powietrza przep luku- j acego, przez które mo ze by c wprowadzane do cylindra (2) powietrze przep lukuj ace, przy czym w cylindrze (2) przewidziane s a srodki do zmniejszania przep lukiwania, tak ze ka zdorazo- wo cz es c gazów spalinowych powstaj acych podczas procesu spalania pozostaje w cylin- drze (2). Jako srodek do zmniejszania przep lu- kiwania s lu zy przekrój poprzeczny (D) przep ly- wu zaworu wylotowego (5), przy czym stosunek przekroju poprzecznego (D) przep lywu zaworu wylotowego (5) do srednicy (B) cylindra (2) wy- nosi co najwy zej 0,4. PL PL PL PL

Description

(12) OPIS PATENTOWY (21) Numer zgłoszenia: 383832 (22) Data zgłoszenia: 23.06.1999 (19) PL (11) 201267 (13) B1 (51) Int.Cl.

F02B 25/04 (2006.01) F02M 25/03 (2006.01) (62) Numer zgłoszenia, z którego nastąpiło wydzielenie:

333941 (54)

Dwusuwowy wysokoprężny silnik spalinowy

(30) Pierwszeństwo: 26.06.1998,EP,98810597.9	(73) Uprawniony z patentu: Wartsila Schweiz AG,Winterthur,CH
(43) Zgłoszenie ogłoszono: 03.01.2000 BUP 01/00	(72) Twórca(y) wynalazku: Rolf Wyss,Pfaffikon,CH
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.03.2009 WUP 03/09	(74) Pełnomocnik: Niewieczerzał Jan, POLSERVICE, Kancelaria Rzeczników Patentowych Sp. z o.o.

⁽⁵⁷⁾ Przedmiotem wynalazku jest dwusuwowy wysokoprężny silnik spalinowy z przepłukiwaniem wzdłużnym, zwłaszcza silnik wysokoprężny dużej mocy, z co najmniej jednym cylindrem (2), w którym umieszczony jest tłok (3) mający możliwość przemieszczania się ruchem posuwistozwrotnym, i który to cylinder (2) ma zawór wylotowy (5) do odprowadzania gazów spalinowych oraz kilka otworów (21) dla powietrza przepłukującego, przez które może być wprowadzane do cylindra (2) powietrze przepłukujące, przy czym w cylindrze (2) przewidziane są środki do zmniejszania przepłukiwania, tak że każdorazowo część gazów spalinowych powstających podczas procesu spalania pozostaje w cylindrze (2). Jako środek do zmniejszania przepłukiwania służy przekrój poprzeczny (D) przepływu zaworu wylotowego (5), przy czym stosunek przekroju poprzecznego (D) przepływu zaworu wylotowego (5) do średnicy (B) cylindra (2) wynosi co najwyżej 0,4.

Fig.i

PL 201 267 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest dwusuwowy wysokoprężny silnik spalinowy z przepłukiwaniem wzdłużnym, zwłaszcza silnik wysokoprężny dużej mocy, z co najmniej jednym cylindrem, w którym umieszczony jest tłok mający możliwość przemieszczania się ruchem posuwisto-zwrotnym, i który to cylinder ma zawór wylotowy do odprowadzania gazów spalinowych oraz kilka otworów dla powietrza przepłukującego, przez które może być wprowadzane do cylindra powietrze przepłukujące, przy czym w cylindrze przewidziane są ś rodki do zmniejszania przep ł ukiwania, tak ż e każ dorazowo część gazów spalinowych powstających podczas procesu spalania pozostaje w cylindrze.

Podczas pracy wysokoprężnych silników spalinowych powstają na ogół znaczne ilości zanieczyszczających środowisko tlenków azotu (NOx). Dlatego, w celu ochrony środowiska, podejmowane są znaczne wysiłki, aby rozwijać konstrukcje silników wysokoprężnych o wyraźnie zmniejszonej emisji NOx. Zmniejszanie emisji NOx może być na przykład realizowane za pomocą selektywnej katalitycznej redukcji tlenków azotu. Zwłaszcza w silnikach wysokoprężnych dużej mocy, jakie są zazwyczaj stosowane do napędzania statków, jest jednak ze względu na ilość miejsca do dyspozycji często trudne, o ile jest w ogóle możliwe, umieszczenie urządzeń katalizatorowych o odpowiednich wymiarach. Dlatego między innymi skoncentrowano się na rozwijaniu tak zwanych środków pierwotnych, przy których jest zmniejszane powstawanie tlenków azotu w komorze spalania cylindra.

Także w dziedzinie przepłukiwanych wzdłużnie, dwusuwowych wysokoprężnych silników spalinowych znane jest domieszywanie poza cylindrem do powietrza przepłukującego lub świeżego gazów spalinowych (zewnętrzna recyrkulacja spalin), aby w ten sposób zmniejszyć zawartość tlenu w powietrzu przepłukującym. Powoduje to zmniejszenie ilości tlenków azotu (NOx) powstających w procesie spalania. Wadą tego rozwiązania jest jednak to, że albo co najmniej część gazów spalinowych musi być prowadzona za pomocą sprężarki zespołu doładowującego (turbosprężarka doładowująca), co prowadzi do znacznych zanieczyszczeń w sprężarce i w dołączonej dalej chłodnicy powietrza doładowującego, albo musi być przewidziana dalsza pompa do sprężania gazów spalinowych, w przypadku gdy gazy spalinowe są doprowadzane do świeżego powietrza dopiero po stronie wysokiego ciśnienia sprężarki. Przy tym jednak w ostatnim przypadku jest również możliwe niekorzystne zanieczyszczanie chłodnicy powietrza doładowującego.

Dlatego w europejskim opisie patentowym nr EP-A-653 558 zaproponowano sposób zmniejszania ilości tlenków azotu w spalinach dwusuwowego silnika wysokoprężnego dużej mocy z zespołem doładowującym, zawierającym turbinę i sprężarkę, który to sposób można nazwać wewnętrzną recyrkulacją gazów spalinowych. Zgodnie z tym sposobem każdorazowo część gazów spalinowych, powstających w procesie spalania, jest zatrzymywana w cylindrze. Te zatrzymywane gazy spalinowe tworzą podczas następnego suwu sprężania mieszankę z wpływającym świeżym powietrzem, która ma wówczas mniejsze, w porównaniu ze świeżym powietrzem, stężenie tlenu, tak że w następującym bezpośrednio potem procesie spalania powstaje mniej tlenków azotu. Dlatego więc jest świadomie realizowane gorsze względnie zredukowane przepłukiwanie, polegające na tym, że wypłukiwanie gazów spalinowych z cylindra jest niecałkowite i znaczna część gazów spalinowych zostaje każdorazowo w cylindrze.

Pozostawanie części gazów spalinowych w cylindrze jest według europejskiego opisu patentowego nr EP-A-653 558 uzyskiwane za pomocą środków, które są przewidziane poza cylindrem. Tak więc zaproponowano, aby pomiędzy wylotem sprężarki i wlotem cylindra pobierać część świeżego powietrza, tak aby do cylindra wchodziła mniejsza niż normalnie ilość świeżego powietrza, która podczas suwu sprężania wypiera mniej gazów spalinowych niż zwykle. Alternatywnie zaproponowano także, aby część gazów spalinowych wychodzących z cylindra była prowadzona obok turbiny zespołu doładowującego, tak aby odpowiednio mniejsza ilość świeżego powietrza była tłoczona ze sprężarki do cylindra. W tym wariancie jest więc dopływ świeżego powietrza zmniejszony w ten sposób, że zmniejszona jest moc turbiny napędzającej sprężarkę.

W szczególności przy dużych ilościach zatrzymywanych w cylindrze gazów spalinowych może znacznie podnieść się temperatura w cylindrze.653 558

Można temu przeciwdziałać według opisu EP-A-653 558 w ten sposób, że przynajmniej podczas części suwu sprężania do znajdującej się w cylindrze mieszanki świeżego powietrza i gazów spalinowych wtryskuje się wodę.

PL 201 267 B1

Ponadto w amerykańskim opisie patentowym nr US-A-5 746 163 opisany jest dwusuwowy wysokoprężny silnik spalinowy, w którym część gazów spalinowych jest zatrzymywana za pomocą przesunięcia momentu czasowego otwarcia i zamknięcia zaworu wylotowego

Celem wynalazku jest opracowanie konstrukcji dwusuwowego wysokoprężnego silnika spalinowego z przepłukiwaniem wzdłużnym, w którym zostanie osiągnięte zmniejszenie emisji tlenków azotu w ten sposób, że przepłukiwanie cylindra zostaje świadomie pogorszone, w tym sensie, że część gazów spalinowych powstających podczas procesu spalania pozostaje w cylindrze. W szczególności wynalazek ma zapewnić silnik wysokoprężny dużej mocy, który ma wysoki współczynnik sprawności.

Dwusuwowy wysokoprężny silnik spalinowy z przepłukiwaniem wzdłużnym, zwłaszcza silnik wysokoprężny dużej mocy, z co najmniej jednym cylindrem, w którym umieszczony jest tłok mający możliwość przemieszczania się ruchem posuwisto-zwrotnym, i który to cylinder ma zawór wylotowy do odprowadzania gazów spalinowych oraz kilka otworów dla powietrza przepłukującego, przez które może być wprowadzane do cylindra powietrze przepłukujące, przy czym w cylindrze przewidziane są środki do zmniejszania przepłukiwania, tak że każdorazowo część gazów spalinowych powstających podczas procesu spalania pozostaje w cylindrze, według wynalazku charakteryzuje się tym, że jako środek do zmniejszania przepłukiwania służy przekrój poprzeczny przepływu zaworu wylotowego, przy czym stosunek przekroju poprzecznego przepływu zaworu wylotowego do średnicy cylindra wynosi co najwyżej 0,4.

Stosunek przekroju poprzecznego przepływu zaworu wylotowego do średnicy cylindra wynosi pomiędzy 0,3 do 04.

Ponadto silnik wysokoprężny zawiera wodną dyszę wtryskową do wprowadzania wody do cylindra.

Na każdym cylindrze znajduje się kilka wodnych dysz wtryskowych.

W odróżnieniu od rozwiązania według opisu EP-A-653 558, w którym proponuje się środki do zatrzymywania części gazów spalinowych, które to środki umieszczone są poza cylindrem, w wysokoprężnym silniku spalinowym według wynalazku środki te są przewidziane bezpośrednio na cylindrze względnie są w niego wbudowane. Rozwiązanie według wynalazku, mające zapewniać uzyskiwanie pożądanego efektu w postaci niepełnego przepłukiwania w celu zmniejszenia emisji NOx za pomocą środków na cylindrze, jest szczególnie proste i mało kosztowne pod względem wyposażenia, ponieważ w zasadzie nie są potrzebne żadne dodatkowe środki konstrukcyjne znajdujące się poza cylindrem, na przykład do odprowadzania świeżego powietrza pomiędzy sprężarką i cylindrem.

Jako środek do zmniejszenia przepłukiwania może służyć osiowa wysokość otworów dla powietrza przepłukującego. W korzystnej postaci wykonania osiowa wysokość otworów dla powietrza przepłukującego, to znaczy ich rozciągłość w kierunku wzdłużnej osi cylindra, wynosi mniej niż 5 procent, zwłaszcza mniej niż 4 procent, suwu tłoka. Na podstawie praktycznego doświadczenia są przy tym szczególnie zalecane takie ukształtowania, w których otwory dla powietrza przepłukującego mają osiową wysokość wynoszącą od około 2 procent do około 3 procent suwu tłoka. Dzięki takiemu mocno obniżonemu, w porównaniu do znanych wysokoprężnych silników spalinowych dużej mocy z przepłukiwaniem wzdłużnym, ukształtowaniu otworów dla powietrza przepłukującego w odniesieniu do kierunku wzdłużnej osi cylindra, zmniejszony zostaje przekrój poprzeczny przepływu wpływającego świeżego powietrza lub powietrza przepłukującego, tak że uzyskiwany jest duży spadek ciśnienia na otworach dla powietrza przepłukującego i na skutek tego złe przepłukiwanie cylindra w powyżej wspomnianym sensie. W wyniku tego część gazów spalinowych, powstałych podczas poprzedzającego procesu spalania, pozostaje w cylindrze, czego wynikiem jest wyraźne zmniejszenie ilości tlenków azotu powstających podczas następnego procesu spalania.

Jako środek do zmniejszania przepłukiwania może także służyć przekrój poprzeczny przepływu zaworu wylotowego. Poprzez zmniejszenie tego przekroju poprzecznego przepływu w porównaniu z dotychczasowymi silnikami wysokoprężnymi można również zrealizować to, że każdorazowo część gazów spalinowych powstających podczas procesu spalania pozostaje w cylindrze. W praktyce okazało się korzystne takie ukształtowanie zaworu wylotowego, że stosunek przekroju poprzecznego przepływu zaworu wylotowego do średnicy otworu cylindra wynosi co najwyżej 0,4, a zwłaszcza wynosi pomiędzy 0,3 i 0,4.

Efekt gorszego względnie zmniejszonego przepłukiwania daje się także jednak uzyskać nie tylko przez samo odpowiednie ukształtowanie otworów dla powietrza przepłukującego lecz także przez samo odpowiednie ukształtowanie zaworu wylotowego. Korzystne są jednak takie postaci wykonania wynalazku, w których zastosowane są łącznie oba środki, a więc w których otwory dla powietrza przepłukującego mają małą osiową wysokość i zawór wylotowy ma stosunkowo mały przekrój poprzeczny

PL 201 267 B1 przepływu. W szczególności, poprzez optymalne połączenie obu środków można otrzymać szczególnie ekonomiczny i jednocześnie emitujący mało szkodliwych substancji wysokoprężny silnik dużej mocy.

Ponieważ przepływ objętościowy powietrza do cylindra jest wyraźnie mniejszy w porównaniu ze znanymi wysokoprężnymi silnikami dużej mocy, na przykład o około 30%, więc do wysokoprężnych silników spalinowych według wynalazku mogą być stosowane także mniejsze zespoły doładowujące (turbozespoły doładowujące) i chłodnice powietrza doładowującego lub mniejsza ich liczba. Jest to korzystne, ponieważ po pierwsze zmniejsza się zapotrzebowanie na miejsce i po drugie mniejsze są koszty tych elementów konstrukcyjnych.

Obniżone ukształtowanie otworów do przepłukiwania, to znaczy ich zmniejszona wysokość osiowa w odniesieniu do suwu tłoka, ma dodatkowo tę dużą zaletę, że suw rozprężania tłoka jest zasadniczo dłuższy. Jest to korzystne szczególnie ze względu na aspekt termodynamiczny, ponieważ uzyskuje się w rezultacie lepszy współczynnik sprawności i mniejsze zużycie paliwa, tak że praca wysokoprężnego silnika jest oszczędniejsza.

Inny korzystny środek polega na tym, że w dwusuwowym wysokoprężnym silniku spalinowym według wynalazku przewidziana jest ponadto co najmniej jedna wodna dysza wtryskowa do wprowadzania wody do cylindra. W ten sposób można skutecznie przeciwdziałać silnemu wzrostowi poziomu temperatury w cylindrze, który jest powodowany przez zredukowanie przepłukiwania. Wodna dysza wtryskowa jest przy tym korzystnie tak sterowana, że wprowadzanie wody następuje podczas suwu sprężania tłoka. Dysza wtryskowa jest korzystnie umieszczona w ten sposób, że woda jest głównie wtryskiwana w gorące gazy spalinowe i jest szybko odparowywana. Ponadto wodna dysza wtryskowa jest umieszczona na przykład w pokrywie cylindra, w obszarze paliwowych dysz wtryskowych.

Zwłaszcza przy łącznym zastosowaniu z silnie obniżonymi otworami dla powietrza przepłukującego i/lub ze stosunkowo małym przekrojem poprzecznym przepływu zaworu wylotowego można dzięki temu uzyskać szczególnie korzystną w aspekcie termodynamicznym i oszczędną pracę silnika wysokoprężnego. Szczególnie dzięki obniżonemu ukształtowaniu otworów dla powietrza przepłukującego i uwarunkowanemu tym względnemu skróceniu czasu, podczas którego otwory dla powietrza przepłukującego nie są zakryte przez tłok, istnieje podczas suwu sprężania najpierw uwarstwienie gazów w cylindrze, przy czym stosunkowo chłodne świeże powietrze względnie powietrze przepłukujące jest skoncentrowane głównie w dolnym, położonym bliżej otworów dla powietrza przepłukującego obszarze cylindra, a gorące gazy spalinowe, które pochodzą z poprzedniego procesu spalania, są skoncentrowane w górnym, położonym bliżej zaworu wylotowego obszarze cylindra. Dzięki temu początkowemu warstwowemu usytuowaniu gazów jest więc możliwe wtryskiwanie wody do jeszcze gorących gazów spalinowych, zanim zostaną one wymieszane zasadniczo za pomocą świeżego powietrza. Wynikiem tego jest bardzo dobre wyparowywanie wtryskiwanej wody, co ma korzystny wpływ na następny proces spalania.

Korzystnie, wodna dysza wtryskowa jest tak sterowana, że wtryskuje ona wodę do cylindra bezpośrednio po zamknięciu zaworu wylotowego, ponieważ wówczas warstwowe ułożenie jest najbardziej wyraźne. Doprowadzanie wody korzystnie kończy się przed rozpoczęciem wtryskiwania paliwa do cylindra.

Jest także szczególnie korzystne w wysokoprężnych silnikach dużej mocy, gdy na każdym cylindrze znajduje się kilka wodnych dysz wtryskowych, zwłaszcza dla uzyskania możliwie równomiernego rozprowadzania wody w górnym, zwróconym ku zaworowi wylotowemu obszarze cylindra. Liczba wodnych dysz wtryskowych przypadających na jeden cylinder może na przykład być równa liczbie przypadających na jeden cylinder paliwowych dysz wtryskowych.

W szczególnoś ci poprzez kombinację obniż onych otworów do przepł ukiwania i/lub stosunkowo małego przekroju poprzecznego przepływu zaworu wylotowego z wtryskiwaniem wody można otrzymać dwusuwowy wysokoprężny silnik spalinowy, który zarówno spełnia bardzo surowe wymagania przepisów odnośnie emisji NOx i znajduje się poniżej ustalonych dla ochrony środowiska granicznych wartości, jak i ma małe zużycie paliwa, które co najmniej nie wynosi więcej niż dla porównywalnych wysokoprężnych silników o dużej mocy, które pracują bez wtryskiwania wody. Jest ponadto korzystne to, że koszt wytwarzania takiego oszczędnego i emitującego mało szkodliwych substancji wysokoprężnego silnika spalinowego jest równoważny kosztowi wytwarzania znanych silników. Wytwarzanie wysokoprężnego silnika spalinowego według wynalazku jest bardziej opłacalne pod względem kosztów w porównaniu z rozwiązaniami z urządzeniami katalizatorowymi.

PL 201 267 B1

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia w sposób schematyczny zasadnicze części dwusuwowego wysokoprężnego silnika spalinowego według wynalazku.

Na rysunku jest przedstawiony schematycznie jeden ze zwykle kilku cylindrów 2 przykładu wykonania dwusuwowego wysokoprężnego silnika spalinowego według wynalazku, który jest ogólnie oznaczony jako 1. Dwusuwowy wysokoprężny silnika spalinowy 1, który pracuje w oparciu o zasadę przepłukiwania wzdłużnego, jest skonstruowany jako silnik wysokoprężny dużej mocy, nadający się na przykład do napędzania statku. W cylindrze 2 jest umieszczony tłok 3 mogący wykonywać ruch posuwisto-zwrotny wzdłuż wzdłużnej osi A cylindra 2. Średnica B cylindra w silniku wysokoprężnym dużej mocy wynosi zwykle do około 1000 mm.

Tłok 3 jest w znany jako taki sposób połączony za pomocą tłoczyska 4 z nie przedstawionym wodzikiem, który z drugiej strony jest połączony przegubowo z korbowodem wodzika (nie pokazanym), który jest połączony z wałem korbowym (nie pokazanym).

Cylinder 2 jest na swojej, zgodnie z rysunkiem, górnej stronie zamknięty pokrywą 7, w której znajduje się, umieszczony centralnie względem wzdłużnej osi A, zawór wylotowy 5 do odprowadzania gazów spalinowych, jak to symbolicznie pokazano za pomocą strzałki z oznaczeniem V. Zawór wylotowy 5 zawiera kanał wylotowy 52, przez który mogą wypływać (strzałka V) z komory spalania cylindra gazy spalinowe do układu wydechowego, oraz uruchamialny talerz 51 zaworu, który w zależności od swego położenia otwiera lub zamyka przejście pomiędzy komorą spalania i kanałem wylotowym 52.

Jedna lub, jak to zwykle jest w wysokoprężnych silnikach spalinowych dużej mocy, kilka paliwowych dysz wtryskowych 6, przez które paliwo może być doprowadzane do cylindra 2, jest również umieszczonych w pokrywie 7 cylindra. W opisanym tu przykładzie wykonania znajduje się ponadto co najmniej jedna wodna dysza wtryskowa 8 do wtryskiwania wody do cylindra 2, która także jest umieszczona w pokrywie 7 cylindra. W celu uzyskania jednorodnego wtryskiwania wody przewidziano korzystnie kilka wodnych dysz wtryskowych 8, na przykład tyle ile jest paliwowych dysz wtryskowych 5. Wodna dysza wtryskowa 8 jest połączona z nie pokazanym urządzeniem do wtryskiwania wody, które zasila w wodę wodną dyszę wtryskową 8 i jest tak wysterowane, że zapewnia wtryskiwanie wody w żądanym przedziale czasowym, w zależności od cyklu roboczego silnika, i z wymaganym ciśnieniem. Korzystnie, urządzenie do wtryskiwania wody ma konstrukcję zgodną z zasadą „common rail”.

W dolnej, zgodnie z rysunkiem, części cylindra 2 znajduje się kilka otworów 21 dla powietrza przepłukującego, przez które może być doprowadzane do cylindra 2 świeże powietrza, które jest także nazywane powietrzem przepłukującym, jak to symbolicznie pokazano za pomocą strzałki z odnośnikiem S. Skoro tylko tłok 3 w swoim suwie rozprężania, który zgodnie z rysunkiem odbywa się do dołu, minie otwory 21 dla powietrza przepłukującego, może przez te otwory wpływać do wewnętrznej przestrzeni cylindra 2 świeże powietrze. Podczas następującego bezpośrednio potem suwu sprężania tłok 3 zamyka otwory 21 dla powietrza przepłukującego, tak że powietrze przepłukujące nie może już dostawać się do wewnętrznej przestrzeni cylindra 2.

Zawór wylotowy 5 i otwory 21 dla powietrza przepłukującego mają taką konstrukcję, że każdorazowo część gazów spalinowych powstających podczas procesu spalania pozostaje w cylindrze, aby tym sposobem zmniejszyć stężenie tlenu w gazach znajdujących się w cylindrze (świeże powietrze i gazy spalinowe). Dzięki takiej konstrukcji w następującym bezpośrednio potem procesie spalania powstaje wyraźnie mniej tlenków azotu, na skutek czego wysokoprężny silnik spalinowy 1 wytwarza podczas eksploatacji mniej szkodliwych dla środowiska substancji.

W opisanym tu korzystnym przykładzie wykonania zawór wylotowy 5 jest tak ukształtowany, że jego przekrój poprzeczny D przepływu, który w zasadzie odpowiada średnicy kanału wylotowego 52, wynosi co najwyżej 0,4 średnicy B cylindra 2. Korzystnie stosunek przekroju poprzecznego D przepływu do średnicy B cylindra 2 wynosi około 0,3 do 0,4. Na skutek tego stosunkowo małego przekroju poprzecznego 5 przepływu zaworu wylotowego D jest zmniejszony przepływ objętościowy gazu wypływającego z komory spalania cylindra 2, tak że uzyskuje się w rezultacie wymagane pogorszenie przepłukiwania cylindra 2.

Otwory 21 dla powietrza przepłukującego mogą mieć postać kilku szczelin 21 dla powietrza przepłukującego, które są rozmieszczone na obwodzie cylindra 2 i rozpościerają się każdorazowo w kierunku osiowym, przy czym za kierunek ten uważa się kierunek wzdłużnej osi A cylindra 2. Otwory 21 dla powietrza przepłukującego mają osiową wysokość H, pod którą rozumie się rozciągłość w kierunku osi wzdłużnej A cylindra 2, która to wysokość wynosi mniej niż 5 procent, zwłaszcza mniej niż 4 procent, a szczególnie korzystnie pomiędzy 2 i 3 procent suwu tłoka 3. Pod określeniem

PL 201 267 B1 „suw tłoka” rozumie się przy tym jego geometryczny suw, to znaczy odległość pomiędzy oboma martwymi punktami.

To ukształtowanie, określane poniżej jako „obniżone”, otworów 21 dla powietrza przepłukującego daje w rezultacie to, że przekrój poprzeczny przepływu powietrza przepłukującego wpływającego do cylindra 2 jest bardzo zmniejszony w porównaniu ze znanymi silnikami wysokoprężnymi, a na otworach 21 dla powietrza przepłukującego zachodzi duży spadek ciśnienia. Ponadto przedział czasu, podczas którego powietrze przepłukujące dostaje się poprzez otwory 21 dla powietrza przepłukującego do wewnętrznej przestrzeni cylindra, jest skrócony na skutek obniżonego ukształtowania, tak że w rezultacie uzyskuje się ogółem gorsze przepłukiwanie cylindra 2, ponieważ przepływ objętościowy powietrza przepłukującego jest wyraźnie mniejszy w porównaniu ze zwykłymi szczelinami dla powietrza przepłukującego, na przykład o 30 procent. To złe przepłukiwanie, które w tym przykładzie wykonania jest uzyskiwane poprzez łączne zastosowanie obniżonego ukształtowania otworów 21 dla powietrza przepłukującego i zmniejszonego przekroju poprzecznego D przepływu zaworu wylotowego 5, oznacza to, że nie wszystkie gazy spalinowe powstające podczas procesu spalania są odprowadzane przez zawór wylotowy 5 podczas fazy przepłukiwania, lecz część tych gazów spalinowych pozostaje w cylindrze 2.

Obniżone ukształtowanie otworów 21 dla powietrza przepłukującego ma ponadto tę zaletę, że wyraźnie wydłużył się suw rozprężania tłoka, na skutek czego podwyższony został współczynnik sprężania. Jest to szczególnie korzystne w aspekcie termodynamicznym. Podwyższony jest współczynnik sprawności wysokoprężnego silnika spalinowego i obniżone jest zużycie paliwa.

Zasilanie cylindra 2 powietrzem przepłukującym może na przykład odbywać się za pomocą zespołu doładowującego, który zawiera turbinę i sprężarkę. Takie zespoły doładowujące są dostatecznie znane jako takie i dlatego zostaną tu tylko krótko objaśnione. Gazy spalinowe wypływające przez kanał wylotowy 52 zaworu wylotowego 5 (strzałka V) dostają się najpierw do odbiornika spalin, w którym zwykle są łączone razem gazy spalinowe z kilku cylindrów. Stamtąd gazy te płyną do turbiny zespołu doładowującego i napędzają ją. Turbina napędza sprężarkę, która zasysa świeże powietrze i je spręża. Ze sprężarki świeże powietrze dostaje się przez chłodnicę powietrza doładowującego do odbiornika wlotowego, który w zwykły sposób jest połączony z kilkoma cylindrami 2. Pomiędzy odbiornikiem wlotowym, w którym znajduje się świeże powietrze pod ciśnieniem, i cylindrem 2 znajduje się pierścień rozdzielczy, przez który świeże powietrze dostaje się do otworów 21 dla powietrza przepłukującego cylindra.

W szczególności, w wysokoprężnych silnikach spalinowych dużej mocy z wieloma cylindrami 2 znajduje się zwykle kilka zespołów doładowujących dla całego silnika, za pomocą których może być przygotowana pod ciśnieniem potrzebna do przepłukiwania ilość powietrza. Ponieważ wysokoprężny silnik spalinowy według wynalazku podczas przepłukiwania pracuje z wyraźnie zmniejszonym przepływem objętościowym powietrza, więc poszczególne części składowe zespołu doładowującego, takie jak turbina, sprężarka lub chłodnica powietrza doładowującego, mogą mieć w każdym wypadku mniejsze wymiary, lub może być przewidziana mniejsza liczba zespołów doładowujących. Jest to korzystne zwłaszcza ze względu na ilość miejsca i pod względem ekonomicznym.

Poniżej zostanie objaśniona praca korzystnego przykładu wykonania dwusuwowego wysokoprężnego silnika spalinowego na podstawie możliwego cyklu roboczego.

Jeśli tłok 3 znajduje się w obszarze jego górnego martwego punktu, wówczas następuje zapłon mieszanki paliwowo-gazowej. Tłok 3 wykonuje swój suw rozprężania, to znaczy, że zgodnie z rysunkiem porusza się do dołu. Podczas przebiegu tego suwu rozprężania jest otwarty zawór wylotowy 5, tak że gazy spalinowe mogą wypływać z cylindra 2. Skoro tylko górna krawędź tłoka 3 minie otwory 21 dla powietrza przepłukującego, zaczyna wpływać do cylindra 2 świeże powietrze przygotowane przez zespół - doładowujący. Po przejściu tłoka przez dolny martwy punkt zaczyna się suw sprężania tłoka 3, to znaczy porusza się on zgodnie z rysunkiem do góry. Skoro tylko górna krawędź tłoka 3 przejdzie otwory 21 dla powietrza przepłukującego, zamyka on te otwory, tak że już więcej powietrza przepłukującego nie może się dostać do wewnętrznej przestrzeni cylindra 2. Podczas przebiegu dalszego suwu sprężania zawór wylotowy 5 jest zamykany, tak że gaz już nie może wychodzić przez niego. Zaczyna się właściwe sprężanie. Dzięki obniżonemu ukształtowaniu otworów 21 dla powietrza przepłukującego, to znaczy ich stosunkowo niewielkiej osiowej wysokości H, jest po pierwsze mniejszy przekrój poprzeczny przepływu powietrza przepłukującego i po drugie skrócony jest przedział czasu, podczas którego powietrze przepłukujące może dostawać się do cylindra 2. Daje to w rezultacie, w połączeniu ze zmniejszonym przekrojem poprzecznym D przepływu w zaworze wylotowym 5, wspomniane już

PL 201 267 B1 gorsze przepłukiwanie, co oznacza, że po zamknięciu zaworu wylotowego 5 część gazów spalinowych znajduje się jeszcze w cylindrze 2. Poza tym obniżone ukształtowanie sprawia, że wolniej zachodzi przemieszanie powietrza przepłukującego i gazów spalinowych w cylindrze 2. Dlatego po zamknięciu zaworu wylotowego świeże powietrze i gazy spalinowe mają zasadniczo jeszcze uwarstwioną postać. Pozostałe jeszcze, gorące gazy spalinowe znajdują się głównie w, zgodnie z rysunkiem, górnej części cylindra 2, podczas gdy świeże powietrze jest skoncentrowane w dolnej części cylindra 2. W tej fazie uwarstwienia gazów korzystnie zachodzi wtryskiwanie wody do cylindra 2 za pomocą wodnej dyszy wtryskowej 8.

Urządzenie do wtryskiwania wody steruje więc wodną dyszą wtryskową 8 w taki sposób, że wtryskiwanie wody zaczyna się korzystnie bezpośrednio po zamknięciu zaworu wylotowego 5. Zatem woda, dzięki uwarstwieniu gazów spalinowych i powietrza przepłukującego, jest głównie wtryskiwana do jeszcze gorących gazów spalinowych, tak że zagwarantowane jest dobre odparowywanie wody. Wtryskiwanie wody, które powoduje skuteczne obniżenie poziomu temperatury w cylindrze, może na przykład odbywać się przy kącie obrotu korby wynoszącym od około 10° do 30°. Urządzenie do wtryskiwania wody korzystnie steruje wodną dyszą wtryskową 8 tak, że wtryskiwanie wody kończy się przed rozpoczęciem wtryskiwania paliwa. Podczas dalszego przebiegu suwu sprężania mieszają się coraz bardziej ze sobą teraz już ochłodzone przez wodę gazy spalinowe i powietrze przepłukujące, tak że powstaje mieszanka gazowa, która ma, w porównaniu z powietrzem przepłukującym, wyraźnie niższą zawartość tlenu. Gdy tłok 3 znajduje się w obszarze jego górnego martwego punktu, wówczas następuje wtryskiwanie paliwa za pomocą paliwowej dyszy wtryskowej 8 lub kilku takich dysz do ubogiej w tlen mieszanki gazowej. Podczas następującego bezpośrednio potem spalania powstaje wówczas wyraźnie mniej tlenków azotu. Po tym spalaniu zaczyna się od nowa opisany cykl roboczy.

Jest także zasadniczo możliwe takie, odmienne od opisanego tu korzystnego przykładu wykonania, ukształtowanie wysokoprężnego silnika spalinowego według wynalazku, że nie ma żadnego wtryskiwania.

W szczególności dzięki uprzednio opisanej korzystnej postaci wynalazku z łącznym zastosowaniem obniżonego ukształtowania otworów 21 dla powietrza przepłukującego, mniejszego przekroju poprzecznego D przepływu zaworu wylotowego 5 i wtryskiwania wody został zapewniony optymalnie dostrojony dwusuwowy silnik wysokoprężny dużej mocy z przepłukiwaniem wzdłużnym, który z jednej strony, dzięki zmniejszeniu emisji substancji szkodliwych, pozostaje także poniżej surowo ustalonych wartości granicznych, a z drugiej strony ma wyraźnie lepszy współczynnik sprawności oraz zwłaszcza mniejsze zużycie paliwa w porównaniu ze znanymi wysokoprężnymi silnikami dużej mocy.

Praktyka wykazała, że w szczególności dzięki otworom dla powietrza przepłukującego, które mają osiową wysokość H wynoszącą około 2 procent do 3 procent suwu tłoka 3, uzyskuje się w rezultacie szczególnie korzystną kombinację gorszego (zredukowanego) przepłukiwania i korzystnego pod względem termodynamicznym przedłużenia suwu rozprężania.

Oczywiście to zredukowane przepłukiwanie w dwusuwowych wysokoprężnych silnikach spalinowych według wynalazku może być także zrealizowane w ten sposób, że stosowany jest tylko jeden z dwóch opisanych środków, a mianowicie z jednej strony obniżone ukształtowanie otworów 21 dla powietrza przepłukującego i z drugiej strony mały przekrój poprzeczny D przepływu w zaworze wylotowym 5. Korzystnie jednak oba środki są stosowane razem w kombinacji, ponieważ w ten sposób można na przykład uniknąć tego, że prędkość przepływu powietrza przepłukującego będzie przyjmowała nieoczekiwanie duże wartości.

Jest zrozumiałym, że w wysokoprężnych silnikach spalinowych według wynalazku jest możliwe doprowadzanie do turbiny zespołu doładowującego nie wszystkich gazów spalinowych wypływających przez zawór wylotowy 5, lecz, jak to już opisano w wymienionym europejskim opisie patentowym nr EP-A-653 558, można kierować tylko część gazów spalinowych obok turbiny.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Dwusuwowy wysokoprężny silnik spalinowy z przepłukiwaniem wzdłużnym, zwłaszcza silnik wysokoprężny dużej mocy, z co najmniej jednym cylindrem, w którym umieszczony jest tłok mający możliwość przemieszczania się ruchem posuwisto-zwrotnym, i który to cylinder ma zawór wylotowy do odprowadzania gazów spalinowych oraz kilka otworów dla powietrza przepłukującego, przez które może być wprowadzane do cylindra powietrze przepłukujące, przy czym w cylindrze przewidziane są

   PL 201 267 B1 środki do zmniejszania przepłukiwania, tak że każdorazowo część gazów spalinowych powstających podczas procesu spalania pozostaje w cylindrze, znamienny tym, że jako środek do zmniejszania przepłukiwania służy przekrój poprzeczny (D) przepływu zaworu wylotowego (5), przy czym stosunek przekroju poprzecznego (D) przepływu zaworu wylotowego (5) do średnicy (B) cylindra (2) wynosi co najwyżej 0,4.
2. 2. Silnik spalinowy według zastrz. 1, znamienny tym, że stosunek przekroju poprzecznego (D) przepływu zaworu wylotowego (5) do średnicy (B) cylindra (2) wynosi pomiędzy 0,3 do 04.
3. 3. Silnik spalinowy według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera do wprowadzania wody do cylindra (2), wodną dyszę wtryskową (8).
4. 4. Silnik spalinowy według zastrz. 3, znamienny tym, że na każdym cylindrze (2) znajduje się kilka wodnych dysz wtryskowych (8).