RU2285133C2 - Органы газораспределения дизелей (варианты) - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к дизелестроению и распространяется на 2- и 4-тактные дизели. Органы газораспределения дизелей содержат впускные и выпускные клапаны либо продувочные окна и выпускные клапаны с приводом клапанов от кулачковых шайб на распределительном валу с устройством его продольного перемещения, при этом распределительный вал оборудуется вторым комплектом кулачковых шайб с измененными фазами газораспределения для длительной непрерывной работы на холостом ходу и малых нагрузках с поддержанием температуры выпускных газов на этих режимах не менее 250°С, а продольное перемещение вала для подвода под толкатели клапанов требуемого комплекта кулачных шайб осуществляется по команде оператора или системы автоматизации. Во втором варианте органы газораспределения дизелей содержат клапаны или продувочные окна и выпускной клапан, либо только продувочные и выпускные, а также дополнительные газораспределительные органы в виде золотников, при этом вращающиеся золотники устанавливаются перед впускными органами, либо за выпускными органами, либо там и там, приводятся в движение от распределительного или коленчатого вала через муфту сдвига фаз, устанавливающую по команде оператора или системы автоматизации фазы газораспределения для длительной непрерывной работы на холостом ходу и малых нагрузках с поддержанием температуры выпускных газов на этих режимах не менее 250°C. Изобретение обеспечивает повышение выпускных газов на малых нагрузках и холостом ходу. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 17 ил.

Description

Изобретение относится к дизелестроению и распространяется на 2- и 4-тактные дизели.

В последние годы в ряде отраслей техники и народного хозяйства (морской и речной флот различного назначения, тепловозостроение, резервные и аварийные дизельные электроагрегаты и электростанции и др.) резко возросла потребность в дизелях, допускающих длительную непрерывную эксплуатацию на малых нагрузках (от холостого хода и обычно до 25%) без ограничения времени.

Решению этой задачи препятствуют в первую очередь выброс несгоревшего масла в выпускную систему двигателя и из нее в окружающую среду, что существенно ухудшает экологическую обстановку вблизи работающего двигателя. Кроме того, на этих режимах происходит закоксовывание проточной части турбокомпрессора (ТК) двигателя, что приводит к невозможности вывода двигателя с малых нагрузок на заданную более высокую из-за наступления помпажа ТК, т.е. приводит к невозможности нормальной эксплуатации двигателя. Указанные неприятности обусловлены низкой температурой выпускных газов на малых нагрузках, включая холостой ход.

Для избежания отмеченных неприятностей все дизелестроительные фирмы как правило вынуждены предписывать в своих инструкциях по эксплуатации периодический (через каждые 5-10 ч работы на таких режимах) вывод двигателя на повышенные нагрузки (более 50%) для прожога выпускного тракта и проточной части ТК от несгоревшего масла и коксовых отложений. Очевидно, что выполнение этого требования создает значительные неудобства для потребителей и в ряде случаев приводит к значительным дополнительным расходам у них.

Радикальным решением данной проблемы является оборудование дизеля такими органами газораспределения, которые обеспечивали бы как нормальную работу дизеля на всех эксплуатационных режимах, так и длительную непрерывную работу на малых (долевых) нагрузках с необходимым повышением температуры их выпускных газов до уровня, при котором исключаются указанные выше неприятности и неполадки (как правило более 250°С). Этот эффект может быть достигнут соответствующим изменением фаз открытия и закрытия впускных и выпускных органов (клапанов, окон) газораспределения при работе на длительных режимах долевых нагрузок.

В настоящее время все поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) имеют постоянные фазы газораспределения вне зависимости от режимов их работы, что отражено во всей литературе по ДВС (см., например: Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей. Под редакцией А.С.Орлина и М.Г.Круглова. М.: Машиностроение. 1983 г.). Изменение фаз производится только для реверсивных двигателей при переходе с переднего хода на задний и наоборот. Это изменение осуществляется для двигателей с клапанным распределением с помощью распредвала с двумя комплектами кулачных шайб: одним для переднего хода и вторым для заднего. При реверсе двигателя осуществляется продольное перемещение распредвала, при котором под толкатели клапанов подводится требуемый комплект кулачных шайб. Известны также опытные работы Коломенского тепловозостроительного завода с использованием распредвала с двумя комплектами шайб для нереверсивного дигателя: одним для нормальной работы и вторым для улучшения пусковых свойств двигателя за счет увеличения степени сжатия с помощью изменения фаз впускного клапана (П.С.Моргулис, А.И.Хуциев. Улучшение пусковых свойств четырехтактных двигателей. НИИИНФОРМ-ТЯЖМАШ. Двигатели внутреннего сгорания. Выпуск 3 (4-66-3).М., 1966 г.).

У 2-тактных дизелей с продувочными и выпускными окнами фазами управляет поршень, и поэтому они либо не зависят от направления вращения двигателя, либо для двигателей с противоположно движущимися поршнями имеют разные значения для переднего и заднего ходов за счет постоянно установленного взаимного сдвига коленвалов продувочного и выпускного поршней.

Никакой информации о применении изменения фаз газораспределения для решения задач по обеспечению длительной работы на долевых нагрузках не имеется. Из числа реализованных способов обеспечения длительной работы двигателя на долевых нагрузках известен только примененный заводом «Русский Дизель» с участием автора данной заявки для электроагрегата АСД 6300 с дизелем 88Г. На этом дизеле, имеющем ТК с механическим приводом от него, применена система перепуска наддувочного воздуха на всасывание ТК, что обеспечивает требуемое повышение температуры на малых нагрузках. Применение этой системы для дизелей со свободным ТК невозможно.

В широком плане на сегодняшний день проблема непрерывной работы дизеля на малых нагрузках без ограничения времени не решена.

Технической задачей изобретения являются органы газораспределения дизеля, которые обеспечивали бы как нормальную работу двигателя на всех эксплуатационных режимах, так и непрерывную без ограничения по времени работу на холостом ходу и малых нагрузках - обычно менее 25% (далее долевые режимы) за счет повышения температуры выпускных газов до уровня, при котором исключается выброс из цилиндров в выпускной коллектор и наружу несгоревшего масла и закоксовывание проточной части турбины турбокомпрессора - обычно до уровня не менее 250°С.

Поставленная задача решается за счет того, что органы газораспределения дизелей содержат впускные и выпускные клапаны либо продувочные окна и выпускные клапаны с приводом клапанов от кулачковых шайб на распределительном валу с устройством его продольного перемещения, при этом распределительный вал оборудуется вторым комплектом кулачковых шайб с измененными фазами газораспределения для длительной непрерывной работы на холостом ходу и малых нагрузках с поддержанием температуры выпускных газов на этих режимах не менее 250°С, а продольное перемещение вала для подвода под толкатели клапанов требуемого комплекта кулачковых шайб осуществляется по команде оператора или системы автоматизации.

Устанавливаются фазы газораспределения с более поздним началом открытия впускного клапана.

Устанавливаются фазы газораспределения с более ранним концом закрытия впускного клапана.

Устанавливаются фазы газораспределения с более ранним концом закрытия выпускного клапана.

Устанавливаются фазы газораспределения с более ранним закрытием выпускных клапанов в сочетании с более поздним открытием впускных клапанов.

Во втором варианте органы газораспределения дизелей содержат клапаны или продувочные окна и выпускной клапан, либо только продувочные и выпускные окна, а также дополнительные газораспределительные органы в виде вращающихся золотников, при этом золотники устанавливаются перед впускными органами, либо за выпускными органами, либо там и там, приводятся в движение от распределительного или коленчатого вала через муфту сдвига фаз, устанавливающую по команде оператора или системы автоматизации фазы газораспределения для длительной непрерывной работы на холостом ходу и малых нагрузках с поддержанием температуры выпускных газов на этих режимах не менее 250°С.

Устанавливаются фазы газораспределения с более поздним началом открытия впускного органа.

Устанавливаются фазы газораспределения с более ранним концом закрытия впускного органа.

Устанавливаются фазы газораспределения с более ранним концом закрытия выпускного органа.

Устанавливаются фазы газораспределения с более ранним закрытием выпускных органов в сочетании с более поздним открытием впускных органов.

Для повышения температуры выпускных газов на долевых режимах необходимо уменьшить количество поступающего в цилиндр воздуха либо увеличить содержание в заряде цилиндра остаточных газов, либо одновременно реализовать то и другое. Эта задача решается следующими путями за счет изменения фаз газораспределения:

а) более поздним началом открытия или более ранним концом закрытия впускных органов (клапанов, окон) либо

б) более ранним концом закрытия выпускных органов, либо

в) более ранним концом закрытия выпускных органов в сочетании с более поздним началом открытия впускных.

В варианте «а» уменьшается количество свежего воздуха в цилиндре; в варианте «б» увеличивается содержание в цилиндре остаточных газов, но надо учитывать возможность частичного заброса их в ресивер наддувочного воздуха; в варианте «в» обеспечивается сочетание первых двух способов воздействия на температуру выпускных газов.

Необходимое изменение фаз газораспределения, обеспечивающее длительную непрерывную работу дизеля на малых нагрузках и холостом ходу с поддержанием температуры выпускных газов на этих нагрузках не менее 250°С, реализуется следующим образом:

1) органами газораспределения, содержащими впускные и выпускные клапаны либо продувочные окна и выпускные клапаны с приводом клапанов от кулачковых шайб на распределительном валу с устройством его продольного перемещения, - оборудованием распределительного вала вторым комплектом кулачковых шайб с соответственно измененными фазами газораспределения, а именно:

- с более поздним началом открытия впускного клапана;

- с более ранним концом закрытия впускного клапана;

- с более ранним концом закрытия выпускного клапана;

- с более ранним концом закрытия выпускного клапана в сочетании с более поздним началом открытия впускного клапана.

Продольное перемещение распределительного вала для подвода под толкатели клапанов требуемого комплекта кулачковых шайб осуществляется по команде оператора или системы автоматизации;

2) органами газораспределения, содержащими клапаны, либо продувочные окна и выпускные клапаны, либо только продувочные и выпускные окна, а также дополнительные газораспределительные органы в виде вращающихся золотников, - установкой золотников перед впускными органами, либо за выпускными, либо там и там и приводом вращающихся золотников от распределительного или коленчатого вала через муфту сдвига фаз, устанавливающую по команде оператора или системы автоматизации заданные фазы газораспределения, а именно:

- с более поздним началом открытия впускного органа;

- с более ранним концом закрытия впускного органа;

- с более ранним концом закрытия выпускного органа;

- с более ранним концом закрытия выпускного органа в сочетании с более поздним началом открытия впускного органа.

Решение по способу 1) требует кратковременного отключения двигателя на период перемещения распределительного вала и поэтому может использоваться только для установок, где допускается такое отключение двигателя при переходе с длительных долевых нагрузок на повышенные нагрузки и наоборот. Обычно это приемлемо для судовых и тепловозных дизелей.

При решении по способу 2) обеспечивается прием двигателем нагрузки при набросе в заданном для него порядке без задержки во времени, т.е. обеспечивается перевод двигателя без остановки с долевых нагрузок на все остальные и наоборот.

На обычных режимах работы двигателя вращающиеся золотниковые устройства не изменяют фаз газораспределения, установленных основными распределительными органами (клапанами и управляющими ими кулачковыми шайбами или окнами), - основных фаз, т.к. они имеют фазы больше основных. При необходимости обеспечить длительную непрерывную работу на долевых режимах с помощью муфты сдвига фаз изменяется положение дополнительных газораспределительных органов относительно основных, в результате чего изменяются в заданном направлении фазы газораспределения.

Система автоматизации, воздействующая через систему управления на перестановку распределительного вала либо на изменение положения дополнительных газораспределительных органов с помощью муфты сдвига фаз, выдает управляющий сигнал на изменение фаз газораспределения для долевых режимов при снижении температуры выпускных газов за выпускными органами ниже уровня, исключающего выброс несгоревшего масла из цилиндров в выпускной коллектор с закоксовыванием проточной части турбины турбокомпрессора - обычно ниже 250°С - с задержкой по времени в зависимости от уставки применительно к данному типу двигателя и условиям его эксплуатации и возвращения их с исходным для остальных режимов при повышении температуры выпускных газов выше 300°-350°С без задержки во времени. Величина временной задержки выдачи управляющего сигнала устанавливается лицом, ответственным за эксплуатацию данного дизеля, в соответствии с инструкцией по эксплуатации последнего, с помощью регулировочного органа системы автоматизации.

Устройство для изменения фаз газораспределения дополнительными распределительными органами представлено на следующих фигурах:

- фиг.1 - схема золотника изменения фаз, установленного со стороны впускного клапана 4-тактного дизеля;

- фиг.2 - золотники изменения фаз с приводом для многоцилиндрового двигателя;

- фиг.3 - схема варианта муфты сдвига фаз в приводе золотников;

- фиг.4 - разрез по 1-1 варианта муфты сдвига фаз в приводе золотников.

На фиг.5-17 представлены схемы сочетания фаз газораспределения основных и долевых для второго комплекта кулачковых шайб и вращающихся золотников применительно к 4-тактному дизелю.

На фиг.5, 7, 8 представлены основные фазы впускного клапана, а на фиг.6, 9 - выпускного. На фиг.9-11 представлены долевые фазы для второго комплекта кулачковых шайб распределительного вала, а именно:

- на фиг.10 - более позднее начало открытия впускного клапана;

- на фиг.11 - более ранний конец закрытия впускного клапана;

- на фиг.12 - более ранний конец закрытия выпускного клапана.

На фиг.13-17 представлены основные и долевые фазы, устанавливаемые с помощью вращающихся золотников, а именно:

- на фиг.13 - основные фазы для впускных органов;

- на фиг.14 - основные фазы для выпускных органов;

- на фиг.15 - более позднее начало открытия впускного органа;

- на фиг.16 - более ранний конец закрытия впускного органа;

- на фиг.17 - более ранний конец закрытия выпускного органа.

Обычно температура выпускных газов дизелей на режиме холостого хода составляет 115-160°С (т.е. подогрев относительно температуры наружного воздуха в 20°С за счет работы двигателя составляет 95-140°С). Для устранения отмеченных выше неприятностей, связанных с низкой температурой выпускных газов, необходимо поднять температуру до уровня, исключающего выброс из цилиндров несгоревшего масла в выпускной коллектор и закоксовывание им проточной части турбины турбокомпрессора, - обычно не менее 250°С, т.е. подогрев должен составлять ~230°С. Следовательно, надо увеличить подогрев в 1,6-2,5 раза, для чего соответственно надо уменьшить расход воздуха через двигатель либо увеличить количество остаточных газов в цилиндрах, либо применить и то, и другое.

Реализация указанного выше может быть обеспечена изменением фаз газораспределения, что достигается применением для нереверсивных дизелей с клапанным или прямоточно клапанным распределением распредвала с двумя комплектами кулачковых шайб и устройством для его продольного перемещения или для всех типов дизелей - дополнительного золотникового распределительного устройства.

На фиг.1 представлена конструкция золотникового распределительного устройства

для 4-тактного дизеля, а на фиг.2 - оснащение им многоцилиндрового дизеля.

На фиг.1 показаны: крышка цилиндра 1, впускной клапан 2, впускной патрубок 3 с корпусом золотника, золотник изменения фаз впуска 4, ресивер наддувочного воздуха 5.

При показанном на фиг.1 положении золотник 4 свободно пропускает воздух к клапану 2, но при повороте золотник своими цилиндрическими (верхней и нижней на фиг.1) поверхностями перекрывает доступ воздуха к цилиндру. При дальнейшем повороте золотника он вновь начинает открывать проход воздуха к цилиндру.

На фиг.2 показана установка на многоцилиндровом двигателе золотников изменения фаз впуска воздуха, соединенных между собой приводным валом 6, с муфтой сдвига фаз 7.

На фиг.3 и 4 показан вариант муфты сдвига фаз. Она состоит из ступицы с упором поворота 8, зафиксированной шпонкой (или шлицами) на валу 6 привода золотников и расположенной внутри шестерни привода 9. Для изменения взаимного сочетания фаз основных и дополнительных органов газораспределения через корпус 11 по трубкам «а» или «в» подается масло, которое по сверлениям в ступице упора 8 попадает в левую или правую от упора полости, сдвигая тем самым вал 6 относительно приводной шестерни 9. Для создания полостей под масло шестерня закрыта крышкой 10. Здесь могут быть использованы и другие варианты муфт или устройств, выполняющих ту же роль.

Золотниковые распределительные устройства вращаются с той же скоростью, что и распределительный вал дизеля, имея привод от него или коленчатого вала.

Для обычных режимов работы двигателя фазы газораспределения являются основными, определяются основным комплектом кулачных шайб либо продувочными и выпускными окнами. Вращающиеся золотники имеют фазы открытия их по углу поворота коленчатого вала большие нежели основные с тем, чтобы не оказывать влияния на основные (фиг.13, 14). При длительной работе на долевых режимах фазы газораспределения изменяются в соответствии с принятым для данного двигателя решением. Реализация этих фаз с помощью второго комплекта кулачковых шайб или вращающихся золотников представлена соответственно на фиг.7-12, 15-17. При одновременном применении вращающихся золотников перед впускными и за выпускными органами может быть реализовано изменение фаз за счет сочетания позиций, приведенных на фиг.15 и 17, более эффективное, но и более сложное решение. В этом случае достигается повышение температуры выпускных газов за счет уменьшения поступления в цилиндр свежего воздуха в сочетании с увеличением в нем остаточных газов и соответственно температуры заряда в цилиндре в начале сжатия. Расчеты показывают повышением, что для достижения необходимого эффекта в этом случае 40-60% заряда должны составлять остаточные газы.

Claims (10)

1. Органы газораспределения дизелей, содержащие впускные и выпускные клапаны, либо продувочные окна и выпускные клапаны с приводом клапанов от кулачковых шайб на распределительном валу с устройством его продольного перемещения, отличающиеся тем, что распределительный вал оборудуется вторым комплектом кулачковых шайб с измененными фазами газораспределения для длительной непрерывной работы на холостом ходу и малых нагрузках с поддержанием температуры выпускных газов на этих режимах не менее 250°С, а продольное перемещение вала для подвода под толкатели клапанов требуемого комплекта кулачковых шайб осуществляется по команде оператора или системы автоматизации.

2. Органы газораспределения дизелей по п.1, отличающиеся тем, что устанавливаются фазы газораспределения с более поздним началом открытия впускного клапана.

3. Органы газораспределения дизелей по п.1, отличающиеся тем, что устанавливаются фазы газораспределения с более ранним концом закрытия впускного клапана.

4. Органы газораспределения дизелей по п.1, отличающиеся тем, что устанавливаются фазы газораспределения с более ранним концом закрытия выпускного клапана.

5. Органы газораспределения дизелей по п.1, отличающиеся тем, что устанавливаются фазы газораспределения с более ранним закрытием выпускных клапанов в сочетании с более поздним открытием впускных клапанов.

6. Органы газораспределения дизелей, содержащие клапаны или продувочные окна и выпускной клапан, либо только продувочные и выпускные окна, а также дополнительные газораспределительные органы в виде золотников, отличающиеся тем, что вращающиеся золотники устанавливаются перед впускными органами, либо за выпускными органами, либо там и там, приводятся в движение от распределительного или коленчатого валов через муфту сдвига фаз, устанавливающую по команде оператора или системы автоматизации фазы газораспределения для длительной непрерывной работы на холостом ходу и малых нагрузках с поддержанием температуры выпускных газов на этих режимах не менее 250°С.

7. Органы газораспределения дизелей по п.6, отличающиеся тем, что устанавливаются фазы газораспределения с более поздним началом открытия впускного органа.

8. Органы газораспределения дизелей по п.6, отличающиеся тем, что устанавливаются фазы газораспределения с более ранним концом закрытия впускного органа.

9. Органы газораспределения дизелей по п.6, отличающиеся тем, что устанавливаются фазы газораспределения с более ранним концом закрытия выпускного органа.

10. Органы газораспределения дизелей по п.6, отличающиеся тем, что устанавливаются фазы газораспределения с более ранним концом закрытия выпускного клапана в сочетании с более поздним открытием впускного клапана.

Images