RU2499899C1 - Two-stroke piston diesel engine - Google Patents

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: two-stroke piston diesel engine comprises a cylinder with blowdown windows, a piston installed in it with a steam, a cylinder lid with one outlet valve and one or two nozzles installed in it. A steel insert is installed (pressed) in the cylinder lid with end ledges in the form of a ring with tangential slots, forming channels that connect the zone of displacement of air volume limited between the outer diameter of the insert ring and the cylinder diameter and flat sections of the insert and the bottom of the piston with the combustion chamber, and the vector of speeds has identical direction, the insert ring enters the cylindrical part of the groove in the piston bottom with the piston position in the upper dead point. The rounded edge is made from heat-resistant steel pressed in the bottom of the piston in the form of a ring or is coated with fire-resistant steel, for instance, by the method of plasma sputtering.

EFFECT: increased capacity, improved environmental parameters.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в двухтактных поршневых дизелях, в частности с прямоточной продувкой.The invention relates to mechanical engineering and can be used in two-stroke piston diesels, in particular with direct-flow blowing.

Широко применяются на судах малооборотные двухтактные поршневые дизели с прямоточной продувкой. Известен двухтактный поршневой дизель с прямоточной продувкой, который содержит цилиндр с продувочными окнами, размещенный в нем поршень со штоком, крышку цилиндра с одним выпускным клапаном и установленными в нее одним или двумя форсунками.Widely used on ships are low-speed two-stroke piston diesel engines with direct-flow purging. Known two-stroke piston diesel with direct-flow purge, which contains a cylinder with purge windows, a piston with a rod placed in it, a cylinder cover with one exhaust valve and one or two nozzles installed in it.

Целью изобретения является повышение эффективности двигателя, а именно, увеличение литровой мощности, снижение эксплуатационных затрат на топливо за счет снижения расхода его и применения тяжелых топлив организацией интенсивного смесеобразования и сгорания, увеличение ресурса дизеля, улучшение экологических показателей за счет снижения образования твердых частиц и окислов азота, снижение уровня шума. Указанная цель достигается тем, что в крышку цилиндра устанавливается (запрессовывается) стальная вставка с торцевыми выступами в виде кольца с тангенциальными прорезями, образующими каналы, соединяющие зону вытеснения объема воздуха, ограниченного между наружным диаметром кольца вставки и диаметром цилиндра и плоскими участками вставки и днища поршня, с камерой сгорания, а векторы скоростей истечения воздуха через продувочные окна и через тангенциальные каналы имеют одинаковое направление. Кольцо вставки входит в цилиндрическую часть углубления в днище поршня при положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ). Так как в зоне закругленной кромки, образованной плоским и цилиндрическим происходит интенсивное истечение горячих газов и холодного продувочного воздуха, то с целью исключения образования трещин, кромка может выполняться из высоколегированной коррозийно-стойкой и жаростойкой стали, запрессованной в днище поршня в виде кольца, или покрываться коррозийно-стойкой и жаростойкой сталью, например, методом плазменного напыления.The aim of the invention is to increase engine efficiency, namely, an increase in liter power, lower operating costs for fuel by reducing its consumption and the use of heavy fuels by organizing intensive mixture formation and combustion, increasing the life of a diesel engine, improving environmental performance by reducing the formation of solid particles and nitrogen oxides , noise reduction. This goal is achieved by the fact that a steel insert with end protrusions in the form of a ring with tangential slots that form channels connecting the displacement zone of the air volume limited between the outer diameter of the insert ring and the cylinder diameter and flat sections of the insert and piston bottom is installed (pressed) into the cylinder cover , with a combustion chamber, and the vectors of air velocity through the purge windows and through the tangential channels have the same direction. The insert ring enters the cylindrical portion of the recess in the piston bottom with the piston position at top dead center (TDC). Since in the area of a rounded edge formed by a flat and cylindrical one, intense outflow of hot gases and cold purge air occurs, in order to prevent the formation of cracks, the edge can be made of highly alloyed corrosion-resistant and heat-resistant steel pressed into the piston bottom in the form of a ring, or coated corrosion-resistant and heat-resistant steel, for example, by plasma spraying.

При движении поршня к ВМТ воздух втекает в камеру сгорания из зоны вытеснения через тангенциальные каналы с высокой скоростью, при этом поток срывается с кромок каналов и торцевых выступов, образуя микровихри высоких скоростей и энергий, заполняющих весь объем камеры сгорания. Эти микровихри тонко распыливают впрыснутое топливо и распределяют смесь топлива и воздуха по всему объему камеры сгорания с высокой скоростью.When the piston moves to TDC, air flows into the combustion chamber from the displacement zone through the tangential channels with high speed, while the flow breaks off from the edges of the channels and end protrusions, forming microvortices of high speeds and energies filling the entire volume of the combustion chamber. These microvortices finely atomize the injected fuel and distribute the mixture of fuel and air throughout the volume of the combustion chamber at high speed.

Происходит интенсивное смесеобразование и сгорание заряда, что значительно снижает образование сажи, твердых частиц и окислов азота. Дизель способен работать без выделения сажи (дымного сгорания) при значительном снижении коэффициента избытка воздуха, значит появляется возможность увеличить литровую мощность дизеля.Intensive mixture formation and charge combustion occur, which significantly reduces the formation of soot, particulate matter and nitrogen oxides. A diesel engine is capable of working without the emission of soot (smoke combustion) with a significant reduction in the coefficient of excess air, which means that it becomes possible to increase the liter capacity of a diesel engine.

Микровихри обеспечивают повышенную скорость тепловыделения, меняют индикаторную диаграмму, т.е. увеличивают работу и к.п.д. цикла, т.е. снижают расход топлива.Microvortices provide an increased rate of heat release, change the indicator diagram, i.e. increase work and efficiency cycle i.e. reduce fuel consumption.

При продувке цилиндра поток воздуха из окон цилиндра огибает кромку цилиндрической части углубления в днище поршня и, срываясь с кромки, образует вихри, интенсивно охлаждая днище поршня. Эффективное охлаждение поршня, значительное уменьшение образования твердых частиц, снижение температуры выхлопных газов, вызванное быстрым и полным сгоранием, повышает ресурс поршня, поршневых колец, гильз цилиндра.When purging the cylinder, the air flow from the cylinder windows bends around the edge of the cylindrical part of the recess in the piston bottom and, tearing off the edge, forms vortices, intensively cooling the piston bottom. Effective piston cooling, a significant reduction in the formation of solid particles, a decrease in the temperature of the exhaust gases caused by fast and complete combustion, increases the resource of the piston, piston rings, cylinder liners.

Кроме того, микровихри значительно снижают период задержки воспламенения, что обеспечивает «мягкий» процесс сгорания и снижение уровня шума. Что касается повышения давления в цилиндре Pz из-за значительного роста скорости сгорания, то повышение давления может быть отрегулировано оптимизацией характеристики впрыска с учетом «мягкого» рабочего процесса.In addition, microvortices significantly reduce the ignition delay period, which ensures a “soft” combustion process and a reduction in noise level. As for the pressure increase in the cylinder Pz due to a significant increase in the combustion rate, the pressure increase can be adjusted by optimizing the injection characteristics taking into account the “soft” working process.

На фиг.1 изображен поперечный разрез дизеля. На фиг.2 изображен вид на вставку со стороны поршня. Дизель содержит цилиндр 1 с продувочными окнами 2, размещенный в нем поршень со штоком 3, крышку цилиндра 4 с одним выпускным клапаном 5 и установленными в нее двумя форсунками 6. В крышку цилиндра установлена (запрессована) стальная вставка 7 с плоским участком 8 и торцевыми выступами в форме кольца 9 с тангенциальными прорезями (каналами) 10. Плоский участок 8 вставки примыкает к плоскости 11 днища поршня 12 с возможно малым зазором при положении поршня в ВМТ. На днище поршня 12 выполнено углубление 13 с цилиндрическим участком 14, в который входит кольцо 8 вставки 7 в конце движения поршня к ВМТ. Плоская часть днища 11 переходит в цилиндрическую часть 14 кромкой 15 с радиусом.Figure 1 shows a cross section of a diesel engine. Figure 2 shows a view of the insert from the piston side. The diesel engine contains a cylinder 1 with purge windows 2, a piston with a rod 3 located in it, a cylinder cover 4 with one exhaust valve 5 and two nozzles 6 installed in it. A steel insert 7 with a flat section 8 and end protrusions is installed (pressed) into the cylinder cover. in the form of a ring 9 with tangential slots (channels) 10. The flat section 8 of the insert is adjacent to the plane 11 of the piston bottom 12 with a possibly small clearance when the piston is in TDC. On the bottom of the piston 12, a recess 13 is made with a cylindrical section 14, into which the ring 8 of the insert 7 enters at the end of the movement of the piston to TDC. The flat part of the bottom 11 passes into the cylindrical part 14 with an edge 15 with a radius.

Для предотвращения образования трещин на чугунном поршне от термических напряжений в зоне кромки 15 запрессовывается кольцо 16 из коррозийно-стойкой и термостойкой стали или кромка покрывается коррозийно-стойкой и термостойкой сталью методом плазменного напыления. Учитывая, что кромка 15 при каждом цикле будет интенсивно как разогреваться при сгорании заряда, так и охлаждаться при продувке, то термостойкая сталь должна обладать достаточной пластичностью.To prevent cracking on the cast iron piston from thermal stresses in the region of the edge 15, a ring 16 of corrosion-resistant and heat-resistant steel is pressed in, or the edge is coated with corrosion-resistant and heat-resistant steel by plasma spraying. Considering that the edge 15 during each cycle will intensively both heat up during the combustion of the charge and cool during the purge, the heat-resistant steel must have sufficient ductility.

Если тарелка клапана 5 находится внутри кольца 9 вставки 7 или близко к нему при максимальном открытии клапана, то внутренний диаметр кольца определяется:If the valve disc 5 is located inside the ring 9 of the insert 7 or close to it at the maximum opening of the valve, then the inner diameter of the ring is determined:

S_dв-S_dкл=S_dr-S_dc,S _dv -S _dcl = S _dr -S _dc ,

где dв - внутренний диаметр кольца,where dv is the inner diameter of the ring,

dкл - диаметр тарелки клапана,dcl - valve disc diameter,

dr - диаметр горловины выпускного канала,dr is the diameter of the neck of the exhaust channel,

dc - диаметр стержня клапана.dc is the diameter of the valve stem.

$$dв\ge \sqrt{dк{л}^2+d{r}^2-d{c}^2}$$

$$d\mathrm{at}\ge \sqrt{d\mathrm{to}{l}^2+d{r}^2-d{c}^2}$$

Предпочтительно угол наклона а оси тангенциального канала к оси, проходящей через центр этой оси и ось цилиндра, составляет 36°-40°.Preferably, the angle of inclination a of the axis of the tangential channel to the axis passing through the center of this axis and the axis of the cylinder is 36 ° -40 °.

Дизель работает следующим образом. При продувке цилиндра 1 воздух поступает через продувочные окна 2 тангенциально к цилиндру. За период продувки воздух движется по плоскому участку 11 днища поршня 12 и срывается с кромки 15 в углубление 13 в днище поршня 12 образуя вихри, которые интенсивно охлаждают нагретое днище поршня. Охлаждение поршня микровихрями холодного продувочного воздуха позволяет избежать перегрева поршня и снимать большую мощность с цилиндра.Diesel works as follows. When purging the cylinder 1, air enters through the purge windows 2 tangentially to the cylinder. During the purge period, air moves along a flat section 11 of the piston crown 12 and breaks off from the edge 15 into a recess 13 in the piston crown 12 to form vortices that intensively cool the heated piston crown. Cooling the piston with microvortices of cold purge air avoids overheating of the piston and remove more power from the cylinder.

При продувке отработавшие газы вытесняются из цилиндра через выпускной клапан 5.When purging, exhaust gases are forced out of the cylinder through the exhaust valve 5.

При подходе поршня к ВМТ воздух отсекается от камеры сгорания кольцом 9 и цилиндрической частью 14 углубления 13 на днище поршня 12. Так как движение поршня к ВМТ продолжается, то воздух вытесняется в камеру сгорания через тангенциальные прорези (каналы) 10.When the piston approaches the TDC, the air is cut off from the combustion chamber by a ring 9 and the cylindrical part 14 of the recess 13 on the piston bottom 12. Since the piston continues to move to the TDC, the air is forced into the combustion chamber through the tangential slots (channels) 10.

По мере движения поршня к ВМТ высота каналов 10 уменьшается и скорость истечения воздуха в камере сгорания достигает максимальных значений и при срыве потока с кромок каналов и с торца кольца образовавшиеся микровихри имеют большую энергию. В это время две форсунки 6 впрыскивают топливо в камеру сгорания в направлении вращения продувочного воздуха и тангенциального истечения воздуха через канал 10. Масса воздуха превышает массу топлива как минимум в 20 раз, поэтому энергии большого количества микровихрей достаточно для тонкого дробления и распыливания топлива и равномерного распределения смеси топлива и воздуха по всему объему камеры сгорания. Такая организация рабочего процесса обеспечивает интенсивное смесеобразования и сгорание и препятствует образование сажи и твердых частиц, что позволяет повысить бездымное сгорание заряда с меньшим коэффициентом избытка воздуха.As the piston moves to the TDC, the height of the channels 10 decreases and the rate of air flow in the combustion chamber reaches its maximum values and when the flow breaks off from the edges of the channels and from the end of the ring, the microvortices formed have a high energy. At this time, two nozzles 6 inject fuel into the combustion chamber in the direction of rotation of the purge air and the tangential air flow through the channel 10. The air mass exceeds the fuel mass by at least 20 times, so the energy of a large number of microvortices is sufficient for fine crushing and atomization of the fuel and uniform distribution mixture of fuel and air throughout the volume of the combustion chamber. This organization of the working process provides intensive mixture formation and combustion and prevents the formation of soot and solid particles, which allows to increase smokeless combustion of the charge with a lower coefficient of excess air.

Кроме того снижается расход топлива за счет повышения к.п.д. цикла. Достигается повышение литровой мощности, увеличение ресурса дизеля, снижение расхода топлива, уменьшение выбросов твердых частиц и окислов азота, снижение уровня шума без дополнительных капитальных затрат и существенного изменения технологии действующего производства, а также предложенный двухтактный дизель может быть внедрен при ремонте дизеля с заменой поршня. Кроме того, появляется возможность применения тяжелых (вязких) сортов топлива.In addition, fuel consumption is reduced due to increased efficiency cycle. Achieved is an increase in liter capacity, an increase in the diesel resource, a decrease in fuel consumption, a decrease in emissions of particulate matter and nitrogen oxides, a reduction in noise levels without additional capital costs and a significant change in the technology of the existing production, as well as the proposed two-stroke diesel engine can be introduced during the repair of a diesel engine with a piston replacement. In addition, it becomes possible to use heavy (viscous) grades of fuel.

Claims (2)

1. Двухтактный поршневой дизель с прямоточной продувкой содержит цилиндр с продувочными окнами, размещенный в нем поршень со штоком, крышку цилиндра с одним выпускным клапаном и установленными в нее одним или двумя форсунками, отличающийся тем, что в крышке цилиндра устанавливается (запрессовывается) стальная вставка с торцевыми выступами в виде кольца с тангенциальными прорезями, образующими каналы, соединяющими зону вытеснения объема воздуха, ограниченного между наружным диаметром кольца вставки и диаметром цилиндра и плоскими участками вставки и днища поршня, с камерой сгорания, а векторы скоростей истечения воздуха через продувочные окна и через тангенциальные каналы имеют одинаковое направление, кольцо вставки входит в цилиндрическую часть углубления в днище поршня при положении поршня в верхней мертвой точке.1. A two-stroke piston diesel engine with direct-flow purge contains a cylinder with purge windows, a piston with a rod placed in it, a cylinder cover with one exhaust valve and one or two nozzles installed in it, characterized in that a steel insert is installed (pressed in) into the cylinder cover with end protrusions in the form of a ring with tangential slots forming channels connecting the displacement zone of the air volume limited between the outer diameter of the insert ring and the diameter of the cylinder and flat sections kami of the insert and the piston bottom, with a combustion chamber, and the vectors of air flow rates through the purge windows and through the tangential channels have the same direction, the insert ring enters the cylindrical part of the recess in the piston bottom when the piston is at top dead center. 2. Двухтактный поршневой дизель по п.1, отличающийся тем, что закругленная кромка, образованная плоской и цилиндрической поверхностями на днище чугунного поршня, выполнена из жаростойкой стали, запрессованной в днище поршня в виде кольца, или эта кромка покрывается жаростойкой сталью, например, методом плазменного напыления. 2. The two-stroke piston diesel engine according to claim 1, characterized in that the rounded edge formed by the flat and cylindrical surfaces on the bottom of the cast iron piston is made of heat-resistant steel pressed into the piston bottom in the form of a ring, or this edge is coated with heat-resistant steel, for example, by the method plasma spraying.

Images