Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej
(21) Numer zgłoszenia: 349991
(22) Data zgłoszenia: 05.10.2001
(13)
B1
(51) Int.Cl.
F02M 61/14 (2006.01)
(54)
Sposób wtryskiwania paliwa do komory spalania cylindra w silniku spalinowym z tłokiem o ruchu posuwisto-zwrotnym, typu konstrukcyjnego Diesla oraz silnik spalinowy z tłokiem o ruchu posuwisto-zwrotnym, typu konstrukcyjnego Diesla
(30) Pierwszeństwo:
10.10.2000,EP,00810932.4
(43) Zgłoszenie ogłoszono:
22.04.2002 BUP 09/02
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:
28.11.2008 WUP 11/08
(73) Uprawniony z patentu:
Wärtsilä Schweiz AG,Winterthur,CH
(72) Twórca(y) wynalazku:
Kalus Heim,Volketswil,CH Thomas Häni,Winterthur,CH Alois Bitterli,Wiezikon,CH
(74) Pełnomocnik:
Tylińska Irena, POLSERVICE,
Kancelaria Rzeczników Patentowych Sp. z o.o.
(57)
PL 199837 B1
W sposobie wtryskiwania paliwa do komory spalania cylindra (11) silnika spalinowego (1) z tłokiem o ruchu posuwisto-zwrotnym typu konstrukcyjnego Diesla, w trybie pracy z czę- ściowym obciążeniem, co najmniej dwie dysze wtrysku są połączone z każdą komorą spalania, a paliwo na przemian wtryskuje się w ten spo- sób, że podczas co najmniej dwóch kolejnych cykli roboczych paliwa nie wtryskuje się przez co najmniej jedną dyszę wtryskową, a potem, podczas co najmniej dwóch kolejnych cykli roboczych paliwa nie wtryskuje się przez na- stępną dyszę wtryskową.
Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest sposób wtryskiwania paliwa do komory spalania cylindra w silniku spalinowym z tłokiem o ruchu posuwisto-zwrotnym, typu konstrukcyjnego Diesla, w trybie pracy z czę- ściowym obciążeniem.
Przedmiotem wynalazku jest także silnik spalinowy z tłokiem o ruchu posuwisto-zwrotnym, typu konstrukcyjnego Diesla.
Sposób wtryskiwania paliwa do komory spalania cylindra wolnobieżnego dwusuwowego silnika spalinowego z tłokiem o ruchu posuwisto-zwrotnym, typu konstrukcyjnego Diesla, znany jest z opisu EP nr 0 775 821. Paliwo wtryskuje się do komory spalania przy użyciu od dwóch do czterech dysz wtryskowych paliwa, przy czym dysze wtryskowe paliwa działają w sposób ciągły w całym zakresie obciążenia.
Szczególnie podczas pracy z częściowym obciążeniem porcja paliwa, która jest przeznaczona dla jednego suwu roboczego jest wtryskiwana za pomocą tylko jednej dyszy wtryskowej, a w następ- nym kolejnym suwie roboczym porcja paliwa jest wtryskiwana przez drugą dyszę wtryskową tak, że podczas każdego suwu roboczego wymagana porcja paliwa jest wtryskiwana na przemian przez każdą dyszę wtryskową.
Niekorzystny w tym sposobie wtrysku jest fakt, że szczególnie w procesie częściowego obcią- żenia występuje niecałkowite spalanie w komorze spalania tak, że gazy spalinowe mają dużą zawar- tość widzialnego dymu.
Zadaniem obecnego wynalazku jest opracowanie takiego sposobu wtryskiwania paliwa do ko- mory spalania cylindra silnika spalinowego z tłokiem o ruchu posuwisto-zwrotnym, typu konstrukcyj- nego Diesla, aby lepiej zachowywał się w trakcie pracy. Zadaniem wynalazku jest również opracowa- nie takiego silnika spalinowego z tłokiem o ruchu posuwisto-zwrotnym.
Zadanie to w zakresie sposobu zostało realizowane zgodnie z wynalazkiem za pomocą sposo- bu wtryskiwania paliwa do komory spalania cylindra silnika spalinowego z tłokiem o ruchu posuwisto- -zwrotnym, typu konstrukcyjnego Diesla, w trybie pracy z częściowym obciążeniem, z co najmniej dwiema dyszami wtryskowymi połączonymi z każdą komorą spalania, w które na przemian wtryskuje się paliwo, który charakteryzuje się tym, że podczas co najmniej dwóch kolejnych cykli roboczych paliwa nie wtryskuje się przez co najmniej jedną z dysz wtryskowych i że potem, podczas co najmniej dwóch kolejnych cykli roboczych paliwa nie wtryskuje się przez następną dyszę wtryskową.
Korzystnie, z każdą komorą spalania połączonych jest od dwóch do czterech dysz wtryskowych, przez które wtryskuje się paliwo.
Zgodnie z wynalazkiem, paliwo wtryskuje się przez tę samą dyszę wtryskową, co najmniej dwa razy z kolei oraz potem paliwo wtryskuje się przez następną dyszę wtryskową, co najmniej dwa razy z kolei.
Paliwo wtryskuje się na przemian przez, w każdym przypadku, jedną z dysz wtryskowych oraz paliwo wtryskuje się przez tę samą dyszę wtryskową podczas co najmniej dwóch kolejnych cykli roboczych.
Korzystnie, paliwo wtryskuje się w sposób ciągły przez tę samą dyszę wtryskową w przedziale czasu co najmniej trzech minut, korzystnie przez tę samą dyszę wtryskową w przedziale czasu po- między 5 i 60 minut, w szczególności pomiędzy 10 i 30 minut.
Silnik spalinowy z tłokiem o ruchu posuwisto-zwrotnym eksploatuje się z częściowym obciąże- niem wynoszącym mniej niż 10% pełnego obciążenia.
Korzystnie, silnik spalinowy z tłokiem o ruchu posuwisto-zwrotnym eksploatuje się jako cztero- suwowy lub dwusuwowy silnik Diesla.
Zgodnie z wynalazkiem, paliwo wtryskuje się w trybie pracy z częściowym obciążeniem za po- mocą pojedynczej dyszy lub dwóch, lub trzech dysz wtryskowych.
Zgodny z wynalazkiem silnik spalinowy z tłokiem o ruchu posuwisto-zwrotnym typu konstrukcyj- nego Diesla, posiadający co najmniej jeden cylinder z komorą spalania, z co najmniej dwiema dysza- mi wtryskowymi połączonymi z komorą spalania, znamienny tym, że silnik spalinowy z tłokiem o ruchu posuwisto-zwrotnym posiada środki takie, że w eksploatacji pod częściowym obciążeniem, paliwo jest na zmianę wtryskiwane do komory spalania w taki sposób, że podczas co najmniej dwóch kolejnych cykli roboczych paliwo nie jest wtryskiwane przez co najmniej jedną z dysz i że następnie podczas co najmniej dwóch kolejnych cykli roboczych paliwo nie jest wtryskiwane przez dalszą dyszę.
Zalet zgodnego z wynalazkiem sposobu należy upatrywać w tym, że pozwala na powstanie w komorze spalania strefy podwyższonej temperatury. W preferowanym sposobie paliwo wtryskuje się asymetrycznie za pomocą tej samej dyszy lub tych samych dysz wtryskowych, w przedziale czasu co najmniej trzech minut, korzystnie między 10 a 30 minut, w celu wytworzenia w ten sposób podwyż- szonej temperatury w strefie spalania w dłuższym czasie.
Zaletą tego sposobu jest to, że liczba cieplnych zmian obciążenia jest zmniejszona w stosunku do tej, która została ujawniona w wymienionym wyżej opisie EP nr 0 775 821, co ma korzystny wpływ na zmęczenie materiału. Miejscowo podwyższona temperatura w i wokół strefy spalania powoduje redukcję widzialnego dymu. Wtrysk paliwa przez tylko jedną dyszę ma taką zaletę, że paliwo wtryskuje się tymczasowo dłużej przez tę dyszę, przez co zachodzi stabilny, powtarzalny wtrysk. Ciągłe zmiany między poszczególnymi dyszami podczas wtrysku mają wadę w postaci większej liczby cieplnych zmian obciążenia.
Ogólnie znane fachowcom, na przykład z opisu EP nr 0 775 821 jest to, że niejednolity rozkład temperatur w komorze spalania jest niekorzystny, ponieważ, na przykład w strefach gorących może wystąpić korozja wysokotemperaturowa. W dodatku fachowcom wiadomo, że nierównomierny rozkład temperatur w komorze spalania powoduje duże naprężenia w cylindrze i w tłoku, co także zwiększa zmęczenie materiału. Fachowiec będzie więc usiłował, korzystając ze swojej fachowej wiedzy, uniknąć nierównomiernego rozkładu temperatur w komorze spalania, tam gdzie tylko będzie to możliwe.
Jednakże nieoczekiwanie okazało się, że w wyniku otwarcia w szczególności tylko jednej dyszy w trakcie pracy z częściowym obciążeniem wynikły poniższe zalety:
- spalanie zachodzi w tym samym miejscu tak, że miejscowo gorętsza strefa o podwyższonej temperaturze wytwarza się w strefie spalania. Powoduje to bardziej pełne spalanie paliwa i co za tym idzie mniejszą zawartość widzialnego dymu w gazach spalinowych,
- pomimo nierównomiernego rozkładu temperatur na tłoku nie występuje krytyczna korozja wy- sokotemperaturowa, ponieważ poziom całkowity temperatury jest niższy przy częściowym obciążeniu, - czas życia elementów komory spalania, takich jak tłoki, kołpaki cylindrów i zawory wylotowe jest wydłużony, w stosunku do zmiany dyszy w każdym cyklu roboczym, ponieważ przez sposób wtry- skiwania według wynalazku, liczba cieplnych zmian obciążenia jest zmniejszona, co zmniejsza zmę- czenie materiału,
- paliwo jest korzystnie wtryskiwane w każdym przypadku przez pojedynczą dyszę.
Tryb częściowego obciążenia prowadzi do niższego poziomu całkowitej temperatury w komorze spalania i na elementach komory spalania. Dlatego też większe naprężenia elementów komory spala- nia, które powodowane są nierównomiernym rozkładem temperatur, zostają ograniczone tak, że na elementach komory spalania nie występują żadne nadmierne, czy też krytyczne naprężenia. Wystę- powanie korozji wysokotemperaturowej powodowane przez miejscowo wyższą temperaturę komory spalania jest także wykluczone w wyniku niższego poziomu całkowitej temperatury.
Sposób według wynalazku w szczególności nadaje się do trybów pracy z bardzo niskim czę- ściowym obciążeniem, mniej niż 15% pełnego obciążenia, szczególnie do częściowych obciążeń po- między 1% a 3% pełnego obciążenia.
Sposób według wynalazku pozwala na przyjazne dla środowiska spalanie w trybie pracy z czę- ściowym obciążeniem i ma tę decydującą zaletę, że unika się optycznie przeszkadzających, szarych lub czarnych chmur gazów spalinowych. Jest to korzystne zwłaszcza dla okrętowych silników Diesla.
Sposób według wynalazku jest odpowiedni do eksploatacji stacjonarnych i ruchomych dwusu- wowych i czterosuwowymi silnikami Diesla, szczególnie do sterowania czterosuwowych silników Die- sla o średnicy cylindra większej niż 150 mm lub, odpowiednio, do dwusuwowych silników Diesla o średnicy cylindra większej niż 300 mm.
Przykładowo, trzy lub cztery dysze wtryskowe są połączone z komorą spalania. Silnik Diesla może pracować przy następujących trybach pracy jako funkcji obciążenia:
- w trybie pracy z pełnym obciążeniem paliwo dostarcza się do komory spalania przez wszystkie trzy lub cztery dysze wtryskowe.
- w pierwszym zakresie częściowego obciążenia, między 25% a 15% pełnego obciążenia, pali- wo wtryskuje się do komory spalania przez dwie dysze wtryskowe,
- w drugim zakresie częściowego obciążenia poniżej 15% pełnego obciążenia, paliwo wtryskuje się do komory spalania przez tylko jedną z trzech lub czterech dysz wtryskowych.
Dołączanie lub odłączanie dyszy wtryskowej podczas przełączania na jeden z trzech wymienio- nych trybów pracy korzystnie ma miejsce przy funkcji przełączania, która posiada histerezę. Tak więc,
na przykład, przełączenia można dokonać między pierwszym a drugim zakresem częściowego obcią- żenia w taki sposób, że zaczynając od pierwszego zakresu częściowego obciążenia, przełączenie na tryb pracy według drugiego zakresu częściowego obciążenia dokonywane jest przy częściowym ob- ciążeniu wynoszącym 12,5% pełnego obciążenia, podczas gdy, zaczynając od drugiego zakresu czę- ściowego obciążenia, przełączenie na tryb pracy z pierwszym zakresem częściowego obciążenia do- konywane jest przy częściowym obciążeniu wynoszącym 17,5% pełnego obciążenia.
Przełączanie z jednego trybu pracy na inny może także na przykład mieć miejsce w ten sposób, że stosuje się sterowanie czasowe tak, że po pewnym czasie, na przykład 20 sekundach po spadku poniżej lub przekroczeniu założonej wartości progowej następuje przełączenie na inny tryb działania.
Przełączanie z jednego na inny tryb działania może także zachodzić nagle tak, że przy większej zmia- nie obciążenia, na przykład 5% przełączenie na inny tryb działania jest dokonywane natychmiast.
Wynalazek w przykładzie wykonania został objaśniony w oparciu o rysunek, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie dwusuwowy silnika Diesla; fig. 2a - widok z góry komory spalania z jedną aktywną dyszą wtryskową; fig. 2b - widok z góry komory spalania z dwoma aktywnymi dyszami spalania.
Cykl roboczy będzie dalej rozumiany jako proces, który zachodzi w czasie działania silnika spa- linowego z tłokiem o ruchu posuwisto-zwrotnym i który obejmuje między innymi uruchomienie zawo- rów, wtrysk paliwa, spalanie i odprowadzenie gazów spalinowych. W silniku dwusuwowym cykl robo- czy zwykle kończy się po jednym obrocie, podczas gdy w silniku czterosuwowym cykl roboczy kończy się po dwóch obrotach.
Figura 1 przedstawia dwusuwowy silnik Diesla 1 z kilkoma cylindrami 11 i tłokami 10, w którym współpraca między wałem korbowym 2, dopływem paliwa i ruchem zaworu wylotowego 13 jest stero- wana elektronicznie. Paliwo jest dostarczane do dyszy wtryskowej 12 z użyciem wysokociśnieniowej pompy 4 poprzez przewód rurowy 6 i akumulator 5. System hydrauliczny obejmujący pompę ciśnie- niową 7, przewód rurowy 9 i akumulator 8 pozwala na rozpoczęcie ustawiania zaworu wylotowego.
Przepłukany wzdłuż dwusuwowy silnik Diesla 1 ma centralnie umieszczony zawór wylotowy 13 i wiele dysz wtryskowych 12, które są rozmieszczone na obwodzie pokrywy cylindra. Zwykle dwusuwowy silnik Diesla 1 tego rodzaju ma dwie do czterech dysz 12 wtrysku paliwa.
Figura 2 schematycznie przedstawia komorę spalania cylindra 11 z trzema dyszami wtrysko- wymi 12 a, 12b, 12c, które rozmieszczone są obwodowo i w równych odstępach. Przykład tego spo- sobu pokazuje działanie z częściowym obciążeniem, w każdym przypadku z aktywną jedną dyszą wtryskową 12a. W związku z tym paliwo 14a wtryskuje się tylko przez dyszę wtryskową 12a, podczas gdy paliwa 14a nie wtryskuje się przez dysze wtryskowe 12b i 12c w przedstawianym momencie.
Podczas co najmniej dwóch kolejnych cykli roboczych paliwo 14a wtryskuje się tylko przez dyszę wtryskową 12a, a następnie podczas co najmniej dwóch kolejnych cykli roboczych paliwo 14a wtry- skuje się tylko przez dyszę wtryskową 12b, a następnie podczas co najmniej dwóch kolejnych cykli roboczych paliwo 14a wtryskuje się tylko przez dyszę wtryskową 12c.
W szczególnie korzystnym sposobie, paliwo jest dostarczane z pojedynczej dyszy wtryskowej 12a podczas zasadniczo więcej niż dwóch kolejnych cykli roboczych, na przykład w czasie 10 do 30 min. Potem, w takim samym okresie czasu paliwo jest dostarczane tylko przez dyszę wtryskową 12b, a potem tylko przez dyszę wtryskową 12c. Sposób ten powoduje nierównomierny rozkład temperatur w komorze spalania i przez to powstanie strefy spalania o wysokiej temperaturze, co daje w konse- kwencji spalanie z małą ilością dymu. Paliwo może być najpierw wtryśnięte przez dyszę wtryskową 12a, potem przez dyszę wtryskową 12b, a następnie przez dyszę wtryskową 12c. Kolejność dysz wtrysko- wych może także być odwrócona tak, że działają one w kolejności: dysza wtryskowa 12c, dysza wtry- skowa 12b, dysza wtryskowa 12a.
Figura 2b przedstawia przykładowy sposób pracy z częściowym obciążeniem, w każdym przy- padku z dwoma dyszami wtryskowymi 12a i 12b, które są aktywne w tym samym czasie. Analogicznie jak w przykładowym wykonaniu według fig. 2a paliwo 14a, 14b jest podobnie dostarczane tylko przez dysze wtryskowe 12a, 12b, podczas co najmniej dwóch kolejnych cykli roboczych, potem tylko przez dysze wtryskowe 12b, 12c podczas dwóch kolejnych cykli roboczych, potem przez dysze wtrysko- we 12c, 12a. Sposób ten jest ciągle powtarzany. Jak przedstawiono na fig. 2a, jest szczególnie ko- rzystne, aby wtryskiwać paliwo 14a, 14b w czasie 5 do 60 minut, szczególnie korzystnie 10 do 30 minut, przez te same dysze wtryskowe 12a, 12b, zanim dokona się zmiany na kolejną parę dysz wtrysko- wych 12b, 12c.
Dwa przykłady sposobu, które są przedstawione na fig. 2a i fig. 2b pokazują tylko dwa przykła- dy z ogromnej liczby możliwości, w jaki sposób paliwo 14a, 14b może być wtryśnięte asymetrycznie
do dwu- lub czterosuwowego silnika Diesla, w każdym przypadku przy dwóch do czterech dysz wtry- skowych paliwa 12 na cylinder 11 przez otwór tylko części istniejących dysz wtryskowych, w celu osią- gnięcia w ten sposób dłuższego i bardziej stabilnego trwania wtrysku i czasowo nierównomiernego rozkładu temperatur w komorze spalania lub, odpowiednio, strefy spalania o podwyższonej temperatu- rze w czasie pracy z częściowym obciążeniem.
Przy bardzo niskich częściowych obciążeniach wynoszących 1% do 15% pełnego obciążenia, sposób przedstawiony na fig. 2, w każdym przypadku z jedną aktywną dyszą wtryskową 12a, 12b, 12c jest szczególnie korzystny. Dysze wtryskowe 12a, 12b, 12c są przeznaczone do działania przy nomi- nalnym obciążeniu. W celu osiągnięcia korzystnego przebiegu wtrysku jest więc korzystne, przy ni- skich częściowych obciążeniach, dostarczanie stosunkowo małej porcji paliwa do komory spalania przez pojedynczą dyszę wtryskową 12a, 12 b, 12c.
Zastrzeżenia patentowe
1. Sposób wtryskiwania paliwa do komory spalania cylindra silnika spalinowego z tłokiem o ru- chu posuwisto-zwrotnym, typu konstrukcyjnego Diesla, w trybie pracy z częściowym obciążeniem, w którym co najmniej dwie dysze wtryskowe są połączone z każdą komorą spalania, znamienny tym, że paliwo (14a, 14b) wtryskuje się na przemian w ten sposób, że podczas co najmniej dwóch kolej- nych cykli roboczych, paliwa nie wtryskuje się przez co najmniej jedną z dysz wtryskowych (12a, 12b, 12c) i że potem, podczas co najmniej dwóch kolejnych cykli roboczych, paliwa (14a, 14b) nie wtrysku- je się przez następną dyszę wtryskową (12a, 12b, 12c).
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że z każdą komorą spalania połączonych jest od dwóch do czterech dysz wtryskowych (12a, 12b, 12c), przez które wtryskuje się paliwo.
3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że paliwo wtryskuje się przez tę samą dy- szę wtryskową (12a, 12b, 12c), co najmniej dwa razy z kolei oraz że potem paliwo wtryskuje się przez następną dyszę wtryskową (12a, 12b, 12c), co najmniej dwa razy z kolei.
4. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że paliwo wtryskuje się na przemian przez, w każdym przypadku, jedną z dysz wtryskowych (12a, 12b, 12c) oraz że paliwo wtryskuje się przez tę samą dyszę wtryskową (12a, 12b, 12c) podczas co najmniej dwóch kolejnych cykli roboczych.
5. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że paliwo wtryskuje się stale przez tę sa- mą dyszę wtryskową (12a, 12b, 12c) w przedziale czasu co najmniej trzech minut.
6. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że paliwo wtryskuje się przez tę samą dy- szę wtryskową (12a, 12b, 12c) w przedziale czasu pomiędzy 5 i 60 minut, w szczególności pomiędzy 10 i 30 minut.
7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że silnik spalinowy (1) z tłokiem o ruchu posu- wisto-zwrotnym eksploatuje się z częściowym obciążeniem wynoszącym mniej niż 10% pełnego obciążenia.
8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że silnik spalinowy (1) z tłokiem o ruchu posuwi- sto-zwrotnym eksploatuje się jako czterosuwowy lub dwusuwowy silnik Diesla.
9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że paliwo wtryskuje się w cyklu roboczym za pomocą pojedynczej dyszy (12a, 12b, 12c) lub dwóch, lub trzech dysz wtryskowych.
10. Silnik spalinowy z tłokiem o ruchu posuwisto-zwrotnym typu konstrukcyjnego Diesla, posia- dający co najmniej jeden cylinder z komorą spalania, z co najmniej dwiema dyszami wtryskowymi połączonymi z komorą spalania, znamienny tym, że silnik spalinowy z tłokiem o ruchu posuwisto- -zwrotnym posiada środki takie, że w eksploatacji silnika z częściowym obciążeniem, paliwo jest na zmianę wtryskiwane do komory spalania w taki sposób, że podczas co najmniej dwóch kolejnych cykli roboczych paliwo nie jest wtryskiwane przez co najmniej jedną z dysz (12a, 12b, 12c) i że następnie podczas co najmniej dwóch kolejnych cykli roboczych paliwo nie jest wtryskiwane przez dalszą dy- szę (12a, 12b, 12c).
Rysunki
Departament Wydawnictw UP RP Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.
