Opublikowano: 8.III.1968 54754 KI. ~ I0a7, Gl H6 MKP F 02 b UKD WM Wspóltwórcy wynalazku: dr inz. Adam Kreglewski, doc. dr inz. Witold Kreglewski Wlasciciel patentu: Zjednoczenie Przemyslu Taboru Kolejowego, Poznan (Polska) Sposób wysokiego doladowania silnika spalinowego i urzadzenie do stosowania tego sposobu Wynalazek dotyczy sposobu doladowania silni¬ ków spalinowych, umozliwiajacego uzyskanie bar¬ dzo wysokich stopni doladowania przy wielkich rozpietosciach obrotów, oraz urzadzenia do stoso¬ wania tego sposobu.Zastosowanie nowego sposobu doladowania mo¬ ze byc szczególnie celowe przy silniku dwusuwo¬ wym, sluzacym do bezposredniego napedu loko¬ motywy spalinowej. Silnik taki winien wyrózniac sie bardzo szczególna charakterystyka, wynika¬ jaca z potrzeb trakcji kolejowej. W szczególnosci silnik ten winien umozliwiac uzyskanie bardzo wysokich wartosci sredniego uzytecznego cisnie¬ nia „pe" poczawszy od mozliwie niskich obrotów silnika, rzedu 1/20 do 1/10 obrotów nominalnych.Uzyskanie zadanych wysokich wartosci „pe" rze¬ du 15—20 kG/cm2 jest uzaleznione od dysponowa¬ nia w cylindrze dostateczna iloscia powietrza (tle¬ nu), potrzebna do spalania zwiekszonych ilosci pa¬ liwa, a tym samym jest uzaleznione od odpowied¬ nio wysokiego doladowania silnika spalinowego.Znany jest sposób ladowania silnika z dwoma szeregami szczelin wlotowych, laczacych cylinder z dwoma oddzielnymi zbiornikami powietrza. Za górnym szeregiem szczelin wlotowych znajduje sie zawór sterowany przez silnik, zawór sluzacy do rozrzadu dodatkowego powietrza dostarczanego przez oddzielna pompe powietrzna, napedzana przez tenze sam silnik. Urzadzenie to sluzylo do 10 20 25 36 zwiekszenia ladunku w chwili rozpoczecia spre¬ zania.Poniewaz pompa powietrzna w tym rozwiazaniu jest napedzana przez silnik w okreslanym, stalym stosunku obrotów do obrotów silnika, wiec ilosc do¬ datkowego powietrza na jeden cykl roboczy w cy¬ lindrze jest wielkoscia stala, niezalezna od obro¬ tów silnika. Urzadzenie to bylo przewidziane do zwiekszenia sredniego uzytecznego cisnienia szcze¬ gólnie przy duzych obrotach silnika i dlatego sto¬ sowane przekroje przelotni i zaworów musialy byc odpowiednio duze, aby opory przeplywu wtla¬ czanego powietrza nie wzrastaly zbytnio z obrota¬ mi silnika.Najwieksze pozorne podobienstwo do sposobu dodatkowego doladowania wedlug niniejszego wy¬ nalazku wynika z opisów patentowych USA; Nr 2 924 069 (Buchi) i Nr 2 583 882 (Ricardo). Róznice uwydatniaja sie najlepiej na wykresach sredniego efektywnego cisnienia „pe" w cylindrach w zalez¬ nosci od obrotów silnika, uwidocznionych na ry¬ sunku fig. IV.Krzywa a na fig. IV przedstawia srednie cis¬ nienie efektywne „pe" normalnego silnika dwusu¬ wowego, niedoladowanego. Zaczyna sie ona przy ok. 25% obrotów nominalnych, o ile silnik posiada pompy ladujace tlokowe i osiaga na ogól „pe" nie wyzsze niz 6,5 kG/em2.Ponizej tych obrotów nie nastepuje wymiana ladunku i samozaplon* Do XU obrotów trzeba sil- 547543 rik przyspieszyc przy pomocy powietrza wysoko sprezonego lub pradu elektrycznego. Przez doda¬ nie normalnej turbosprezarki, napedzanej gazami wylotowymi, osiaga sie wedlug krzywej b na ogól „p" równe 8,5 do 9 kG/cm2, a przy zastosowaniu turbosprezarki o wysokich obrotach osiagnac moz¬ na do 11 kG/cm2 wedlug krzywej c.Doladowanie wedlug patentu nr 2 924 C69 (Biichi), w którym sprezarka obrotowa napedzana przez glówny silnik przy pomocy lancucha lub kól ze¬ batych sprezarki daje na 1 skok silnika ilosc do¬ datkowego powietrza niezalezna od obrotów silni¬ ka, zawsze jednakowa, to „pe" wzrasta na skutek tego w przyblizeniu zawsze o te sama wielkosc A wedlug krzywej cL Znane rozwiazanie wedlug opisu pat. nr 2 583 882 zawiera sprezarke z oddzielnym napedem, który powoduje taki skutek, ze cisnienie powietrza spa¬ da z obrotami wedlug prostej i na skutek tego „pe" równiez spada (odpowiednio do rysunku na arkuszu 3 opisu patentowego) w/g krzywej e. Ta¬ ki sposób regulacji znajduje praktycznie rzadko zastosowanie. Jest on w wielkiej mierze przysto¬ sowany do typu silnika Ricardo.Sposób doladowania wedlug niniejszego zglosze¬ nia ma zupelnie specyficzne przeznaczenie, a mia¬ nowicie dotyczy on silnika do bezposredniego na¬ pedu lokomotyw spalinowych. Silnik taki powi¬ nien dawac wysokie „pe" nie tylko przy wysokich obrotach, ale powinien je dawac równiez, a nawet w wiekszej mierze przy nizszych i bardzo niskich obrotach.Odpowiednio, powinien silnik byc doladowany dodatkowym powietrzem, w ilosciach stojacych w odwrotnym stosunku do ilosci jego obrotów. Nie chodzi tutaj o cisnienie powietrza, ale o ilosci po¬ wietrza na jeden obrót silnika. Jezeli ono wtla¬ czane jest poprzez zawór doladowawczy i dodat¬ kowe szczeliny wlotowe, to iloczyn czasokresu otwarcia tych elementów i ilosci obrotów jest niezmienny tj. czasoprzekrój równy jest wielkosci stalej. O ile sprezarka doladujaca bedzie miala stale obroty, ilosc powietrza dostarczanego w cza¬ sie równiez jest niezmienna, a wiec cisnienie po¬ wietrza nie bedzie sie zmienialo. Natomiast, ilosc powietrza przypadajaca na jeden skok silnika glównego bedzie wielkoscia odwrotna w stosunku do ilosci jego obrotów. Na rys. fig. V przedsta¬ wiono krzywa hiperboliczna obrazujaca ilosc po¬ wietrza wtlaczanego na jeden skok silnika w za¬ leznosci od jego obrotów.Dobre wyniki dal stosunek 100% ilosci powie¬ trza dodatkowego przy 2'GP/a obrotów silnika, co odpowiada 2:% ilosci powietrza doladowujacego przy pelnych (100%) obrotach silnika. Jezeli te krzywa przeniesiemy do fig. IV (kreskowana prze¬ strzen pomiedzy krzywymi c i f) wtenczas „pe" ksztaltuje sie wg krzywej f. Gdy te krzywa prze¬ niesiemy w siatke szybkosci lokomotywy i jej sily pociagowej, co przy bezposrednim napedzie ma miejsce, charakterystyka lokomotywy bedzie od¬ powiadala charakterystyce lokomotywy elektrycz¬ nej wielkiej mocy z ta róznica, ze w lokomoty¬ wach elektrycznych przy duzych, szybkosciach, si- 4 la pociagowa spada na skutek, podyktowanego wzgledami elektrycznymi, oslabienia pola silni¬ ków trakcyjnych, podczas gdy w niniejszym wy¬ nalazku sila pociagowa jeszcze nieco wzrasta. Na 5 skutek zwiekszonych przez dodatkowe doladowa¬ nie ilosci gazów wylotowych, turbosprezarka przy¬ spieszy swe obroty i daje jeszcze dodatkowy la¬ dunek, co powoduje dalsze powiekszenie srednie¬ go cisnienia „pe" odpowiadajace krzywej g. Wy- !0 niki silnika na stacji próbnej potwierdzaja to za¬ lozenie. Daje to charakterystyke lokomotywy "po¬ trzebna dla ciezkich skladów pociagów przy duzej szybkosci.Silniki z dwoma rzedami szczelin wlotowych i 15 sterowanym zaworem przed górnym rzedem szcze¬ lin sa znane i jako takie zostaly w niniejszym ?opisie potraktowane. Doladowanie silnika przy pomocy sprezarki z oddzielnym napedem jest tak¬ ze przyjete jako znane. 20 Istota niniejszego wynalazku polega na tym, ze w celu uzyskania maksymalnych momentów obro¬ towych silnika przy niskich i najnizszych jego obrotach, doladowuje sie go przy stalych obrotach silnika dodatkowego napedzajacego sprezarke tlo- 25 czaca powietrze doladowujace, aby przy stalej ilosci powietrza doladowujacego w czasie i zmien¬ nych obrotach silnika glównego ilosc powietrza doladowujacego wtlaczanego na jeden obrót sil¬ nika glównego zmieniala sie mniej wiecej od- 30 wrotnie proporcjonalnie do obrotów silnika glów¬ nego, przy czym powietrze to jest wtlaczane bez¬ posrednio po zamknieciu organów wlotowych i wylotowych silnika glównego.Urzadzenie wedlug niniejszego wynalazku ma byc zastosowane w pelni przy mozliwie niskich obrotach silnika i ma dawac maksymalne dodat¬ kowe napelnienie cylindra powietrzem przy tych niskich obrotach. W miare zwiekszenia sie ilosci obrotów silnika — przy niezmiennej w czasie pcdazy dodatkowego powietrza, dostarczanego przez sprezarke napedzana silnikiem pomocniczym — ilosc dodatkowego powietrza przypadajacego na jeden cykl roboczy w cylindrze zmienia sie Mm odwrotnie proporcjonalnie do chwilowych obro- 45 tów silnika glównego. Wielkosc dodatkowego do¬ ladowania silnika glównego zmienia sie wiec hy- perbolicznie w zaleznosci od chwilowych obrotów tego silnika. W podobny sposób zmienia sie calko- ^ wita ilosc powietrza, przypadajacego na jeden cykl roboczy silnika glównego, a zatem i wartosc osia¬ galnego sredniego uzytecznego cisnienia „pe" jest w przyblizeniu hyperboliczna funkcja chwilowych obrotów silnika glównego — w zakresie niskich 55 obrotów silnika, znacznie nizszych od jego obro¬ tów nominalnych.Moment obrotowy silnika spalinowego jest wprost proporcjonalny do wielkosci „pe", a zatem zmienia sie w przyblizeniu hyperbolicznie w za- 03 leznosci od chwilowych obrotów silnika glównego w przypadku zastosowania opisanego sposobu do¬ ladowania. Taka zaleznosc momentu obrotowego silnika (a zarazem i sily pociagowej lokomotywy spalinowej o bezposrednim napedzie) od obrotów e§ silnika (a zarazem } szybkosci lokomotywy) w5 pelni odpowiada potrzebom trakcji kolejowej i jest odzwierciedleniem zaleznosci oporów jazdy od szybkosci pociagu przy malych szybkosciach.Sposób doladowania wedlug niniejszego wyna¬ lazku jest niezalezny od normalnie pracujacego urzadzenia doladowujacego z turbosprezarka i od instalacji rozruchu sprezonym powietrzem. Prze- lotnia dla dodatkowego powietrza wprowadzanego do cylindra znajduje sie bezposrednio ponad szcze¬ linami wlotowymi dwusuwowego silnika spalino¬ wego. Doplyw dodatkowego powietrza ustaje w chwili zakrycia przelotni przez tlok. Cisnienie sprezonego powietrza, dostarczonego przez spre¬ zarke winno byc wyzsze od cisnienia w cylindrze w chwili zakrycia przelotni i moze wynosic przy¬ kladowo 4—5 atmosfer nadcisnienia. Poczatek do¬ plywu dodatkowego powietrza zalezy od otwarcia specjalnego zaworu doladowujacego, sterowanego przez silnik. Instalacja sprezonego, dodatkowego powietrza doladowujacego winna byc wyposazona w zawór bezpieczenstwa dla ograniczenia cisnie¬ nia doladowania przy szczególnie niskich obrotach silnika.Dalsza cecha wynalazku jest sposób pneuma¬ tycznego sterowania omawianego urzadzenia. Po¬ niewaz urzadzenie do dodatkowego doladowania ma przede wszystkim pracowac przy niskich obro¬ tach silnika i jest przy tych niskich obrotach szczególnie skuteczne, wiec przewiduje sie moz¬ nosc ewentualnego wylaczenia dodatkowego dola¬ dowania przy wysokich obrotach silnika oraz na przyklad podczas jazdy lokomotywy na spadkach.W razie potrzeby urzadzenie moze pozostac wla¬ czone w calym zakresie obrotów roboczych silni¬ ka, na przyklad w przypadku potrzeby przecia¬ zenia silnika. Wlaczanie urzadzenia do dodatko¬ wego doladowania silnika odbywa sie, na przy¬ klad, przez napelnienie sprezonym powietrzem pomocniczych cylinderków, znajdujacych sie przy kazdym cylindrze roboczym silnika. Sprezone po¬ wietrze przesuwa tloczki, z którymi zwiazane sa punkty obrotu dzwigni popychajacych (otwiera¬ jacych) zawory doladowujace pod wplywem im¬ pulsów krzywkowych. Wylaczanie urzadzenia do dodatkowego doladowania silnika odbywa sie przez odpuszczenie sprezonego powietrza z cylinderków pomocniczych. Tloczki cofaja sie pod wplywem wbudowanych sprezyn, a wskutek przesuniecia punktów obrotu dzwigni przerywa sie kontakt miedzy krzywkami a rolkami przy dzwigniach i ustaje otwieranie zaworów doladowujacych. Do napelniania cylinderków pomocniczych uzywa sie ¦sprezonego powietrza z tej samej sprezarki, która zasila urzadzenie do dodatkowego doladowania; w ten sposób uklad sterowniczy zapewnia samo¬ czynne wylaczenie dodatkowego doladowania w przypadku zaniku cisnienia w przewodach dodat¬ kowego powietrza doladowujacego (na przyklad awaria silnika pomocniczego, sprezarki itp.).Sposób wedlug wynalazku objasniono ponizej na przykladzie wykonania na rysunku, na którym fig. I przedstawia wykresy zaleznosci cisnienia od objetosci przy znanych wysokopreznych silnikach dwusuwowych i przy stosowaniu sposobu wedlug wynalazku, fig. II — odpowiednie wykresy za- d leznosci sredniego uzytecznego cisnienia od chwi¬ lowych obrotów silnika, fig. I-II — przykladowy schemat urzadzenia do stosowania sposobu we¬ dlug wynalazku, fig. IV — wykresy sredniego cis- 5 nienia efektywnego „pe" w zaleznosci od obrotów silnika wedlug niniejszego wynalazku w porówna- % niu do rozwiazan znanych z opisów pat. USA Nr 2 583 882 i Nr 2 924 039, fig. V — wykres ilosci powietrza wtlaczanego na jeden «skok silnika, w io zaleznosci od obrotów.Fig. I przedstawia wykresy w ukladzie P-V (cisnienie — objetosc): linia ciagla zaznaczono nor¬ malny wykres dwusuwowego silnika spalinowe¬ go z samoczynnym zaplonem, linia przerywana 15 a-b-c-d-e-f-a- zaznaczono przebieg podobnego wy¬ kresu z uwzglednieniem dodatkowego doladowa¬ nia z obcego zródla — doladowanie to naste¬ puje na odcinku b-c wykresu i powoduje przy¬ kladowo okolo 100% zwiekszenie ladunku w cy- OA lindrze. 20 Fig. II przedstawia zaleznosc osiagalnego sred¬ niego uzytecznego cisnienia „pe" od chwilowych obrotów silnika „n": linia ciagla g-o-h zaznaczono charakter tej zaleznosci dla normalnego silnika spalinowego z samoczynnym zaplonem i z dola¬ dowaniem za pomoca turbosprezarki, linia prze¬ rywana k-1-m-o-h zaznaczono przykladowo prze¬ bieg takiej zaleznosci z uwzglednieniem dodatko¬ wego doladowania z obcego zródla o podazy spre¬ zonego powietrza stalej w czasie, niezaleznej dd obrotów silnika doladowujacego. Poziomy odcinek wykresu k-1 obrazuje dzialanie zaworu bezpie¬ czenstwa, ograniczajacego cisnienie doladowania (punkt c, fig. I) przy szczególnie niskich obrotach silnika. Przeskok m-o oznacza wylaczenie dodat- 35 kowego doladowania przy przekroczeniu okreslo¬ nych obrotów silnika, przykladowo nizszych od obrotów nominalnych silnika (odcieta dla punktu h).Schemat wedlug fig. III przedstawia przyklado- 40 wo urzadzenie do stosowania nowego sposobu do¬ ladowania silnika spalinowego, dwusuwowego. Cy¬ linder 1 silnika dodatkowo doladowanego posiada szczeliny wlotowe 2, doprowadzajace w normalny sposób powietrze do przeplukania cylindra i do 45 odnowienia ladunku w cylindrze; powietrze to jest dostarczane na przyklad przez turbosprezarke do komory powietrznej 3. Odplyw spalin z cylin¬ dra odbywa sie przez sterowany zawór wylotowy 4. W cylindrze znajduje sie tlok 5 polaczony z 50 mechanizmem korbowym 6. Kreskowane linie oznaczaja polozenie górnej krawedzi tloka 7 i po¬ lozenie mechanizmu korbowego 8 w chwili zam¬ kniecia przelotni 9, doprowadzajacej do wnetrza cylindra dodatkowe powietrze, dostarczane przez 55 niezalezna sprezarke 10 (punkt c na wykresie wedlug fig. I). Dodatkowe powietrze ze sprezarki przeplywa przez zawór kurkowy trójdrozny 11 i moze byc skierowane do silnika poprzez chlod¬ nice 12 lub bezposrednio poprzez obejscie 13; wy- 60 laczanie chlodzenia moze byc potrzebne dla zapew¬ nienia samozaplonu przy bardzo niskich obrotach silnika. Bezposrednio przy cylindrze 1 silnika znajduje sie zawór doladowujacy 14, sterowany mechanizmem krzywkowym 15; wal krzywkowy 65 15 jest napedzany przez wal korbowy 6 silnika54754 7 ze stosunkiem obrotów 1: 1. Dzwignia 16 prze¬ kazuje impulsy mechanizmu krzywkowego 15 na grzybek 17 zaworu 14. Otwarcie zaworu 14 winno nastepowac w chwili zakrycia szczelin wlotowych 2 przez tlok 5 (punkt b na wykresie wedlug fig. 5 I). Punkt obrotu 18 dzwigni 16 jest osadzony na tloczku 19, znajdujacym sie w pomocniczym cy- linderku pneumatycznym 20. Przewód sterowni¬ czy 21 i 22 z wbudowanym, trójdroznym zaworem 23 manipulacyjnym dostarcza do cylinderka 20 10 sprezone powietrze, które wywoluje na tloczku 19 sile wystarczajaca do scisniecia sprezyny 24 i do ustawienia dzwigni 16 w polozeniu roboczym.Przez przekrecenie kurka manipulacyjnego 23 o 90° w kierunku strzalki nastepuje odciecie doply- 15 wu sprezonego powietrza oraz odpowietrzenie przewodu 22 i wnetrza cylinderka 20. Wtedy pod 2. wplywem sprezyny 24 tloczek 19 cofa sie do po¬ lozenia 25 przedstawionego na rysunku linia kres¬ kowana i pociaga za soba dzwignie 16 do polo- 20 zenia jalowego, uniemozliwiajacego otwieranie za¬ woru 14. Zawór bezpieczenstwa 26 ogranicza ma¬ ksymalne cisnienie doladowania do poziomu bez¬ piecznego dla konstrukcji silnika; ograniczenie to jest konieczne przy szczególnie niskich obrotach silnika.Opisany przykladowo sposób doladowania sil¬ nika spalinowego dwusuwowego z szczelinami wlotowymi moze byc odpowiednio zastosowany równiez przy silnikach spalinowych innych typów. PL