способ работы дизельного двигателя внутреннего сгорания

Формула изобретения

СПОСОБ РАБОТЫ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ путем впуска в цилиндры воздуха, его сжатия, впрыска и воспламенения топлива, расширения продуктов сгорания, преобразования энергии расширяющихся газов во вращательную энергию вала и выпуска отработавших газов, причем часть неиспользованной при расширении теплоты продуктов сгорания утилизируют путем перегрева при помощи отработавших газов хладагента системы охлаждения и его впрыска в цилиндры, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективных показателей, воздух перед впуском в цилиндры дросселируют и повышают его кислородосодержание и фазу впрыска хладагента выдерживают в интервале: начало впрыска - за 5 - 0^o поворота коленчатого вала до начала впрыска топлива, окончание впрыска - через 5 - 10^o поворота коленчатого вала после верхней мертвой точки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению, точнее к двигателям внутреннего сгорания.

Известны технические решения, обеспечивающие повышение мощности, улучшение экономичности ДВС и снижение токсичности выхлопа путем введения в состав рабочего тела хладагента воды или жидкости в испаренном или капельно-жидкостном состоянии. При подаче в ДВС воды в конце такта сжатия - начале расширения достигается уменьшающее токсичность выхлопа по NO_x снижение температуры сгорания и увеличение массы рабочего тела с одновременным уменьшением средней молекулярной массы ( ) и показателя политропы расширения (n₂) и увеличением характеристической газовой постоянной (R) рабочего тела на такте расширения, что ведет к росту работы расширения, а значит, улучшает мощностные и топливно-экономические характеристики ДВС (прототип патент США N 4408573, кл. 123-25, 1983). При этом разогрев впрыскиваемой воды (топливно-водяной эмульсии, другой жидкости) теплотой ОГ и охлаждающего агента системы охлаждения позволяет снизить затраты теплоты, выделяющейся при сгорании топлива, на разогрев впрыскиваемой жидкости и увеличить дозу впрыска ее, но в этом случае целесообразно дозу повышать лишь максимум до 40-70% от массы топлива, так как большая доза снижает термодинамические параметры рабочего тела на такте расширения, а значит, и мощность ДВС и ухудшает его экономичность (Сомов В. А. и Ищук Ю. Г. Судовые многотопливные двигатели. Л. : Судостроение, 1983, с. 240), в то время как при больших дозах впрыскиваемой воды возможен дальнейший рост работы расширения за счет дополнительного уменьшения и n₂ и увеличения R, что при работе ДВС по известным способам не может быть достигнуто.

Известны также технические решения, в которых за счет дросселирования свежего заряда на впуске в ДВС на режиме холостого хода (заявка ФРГ N 2906915, кл. F 02 D 9/00) и малых нагрузок снижают затраты работы на сжатие свежего заряда ДС, что повышает мощность и улучшает экономичность ДВС. Однако на режимах, близких к номинальной мощности, дросселирование приводит к недостаточному содержанию в рабочей смеси кислорода, необходимого для сгорания топлива, что вызывает падение мощности, ухудшение экономичности и рост токсичности выхлопа по причине нарастания неполноты сгорания топлива.

Известны технические решения, обеспечивающие работу ДВС при кислородном обогащении (КО) свежего заряда путем, например, присадки к нему находящегося при двигателе в сниженном, сжатом или химически связанном виде кислорода (озона) или, что является более перспективным, путем отделения некислородных составляющих от поступающего в ДВС воздуха непосредственно на двигателе с помощью электромагнитного разделения (заявка ФРГ N 3013673, кл. F 02 М 33/00), центробежной сепарации (заявка Японии N 61-28750, кл. F 02 M 33/00), разделения воздуха на газовых мембранах (авт. св. СССР N 853133, кл. F 02 B 51/00). За счет КО рабочего тела уменьшается токсичность выхлопа ДВС по некоторым компонентам при незначительном увеличении мощности и улучшении топливной экономичности ДВС (см. Рефератный журнал "Двигатели внутреннего сгорания", отдельный выпуск ГКНТ СССР, АН СССР, ВИНИТИ, 1988, N 7, с. 35, 1988, N 12, с. 25, 1987, N 3, 1978, N 5, с. 40). Это происходит из-за сокращения периода индукции, возрастания скорости и полноты сгорания топлива.

Однако в известных схемах при КО сохраняются термодинамические параметры процессов наполнения и сжатия, весь положительный эффект вызван ростом параметров сгорания, в частности скорости сгорания, что увеличивает среднее давление цикла (Кузнецов Е. В. Влияние концентрации кислорода на процесс двигателя. - Сборник АН СССР, 1956, с; 107-114). При этом значительная часть энергии, получаемой при сгорании топлива, затрачивается на сжатие не участвующей в процессе сгорания части рабочего тела (в основном молекулярный азот N₂), а рост температуры сгорания ведет к росту выброса с отработавшими газами (ОГ) окислов азота.

Целью изобретения является повышение эффективных показателей ДВС.

Указанная цель достигается тем, что свежий заряд дросселируют на впуск в ДС, его кислородосодержание повышают, фазу впрыска хладагента выдерживают в интервале: начало впрыска - за 5-0^о поворота коленчатого вала (ПКВ) до начала впрыска топлива, окончание впрыска - за 5-10^оповорота коленчатого вала после верхней мертвой точки (ВМТ).

За счет дросселирования свежего заряда на впуске снижается давление конца наполнения (Р_а), что уменьшает затраты энергии на сжатие рабочего тела до снижающегося ввиду этого давления конца сжатия (Р_с), но температура конца сжатия и в этом случае достаточна для самовоспламенения дизельного топлива (заявки ФРГ кл. F 02 D 9/00, F 02 D 39/02, N 2906915) даже при Р_а= 0,015 МПа. Воспламенение топлива от внешнего источника, например свечи зажигания, при таких Р_а происходит в карбюраторных ДВС на режимах малых нагрузок без затруднений.

При впрыске в рабочее тело воды расширяться в ДВС будет уже рабочее тело с большим содержанием воды, а значит, и с меньшей средней молекулярной массой ( ) и большей характеристикой газовой постоянной (R), чем это было при сжатии, причем увеличение водосодержания рабочего тела снижает величину показателя политропы расширение (n₂). Это позволяет скомпенсировать потери рабочего тела от дросселирования и, следовательно, сохранить и даже повысить величину работы расширения по сравнению с серийным ДВС. Наличие воды позволяет не допустить роста температуры сгорания, ведущего к увеличению выброса с ОГ окислов азота.

Так как величина затраченной на сжатие рабочего тела работы уменьшается, а полученная при расширении работа поддерживается неизменной и даже увеличивается, то суммарная работа цикла ДВС, а значит, и его КПД возрастает.

Совместное КО и дросселирование свежего заряда дает возможность уменьшить работу сжатия при сохранении в рабочем теле того же количества окислителя-кислорода воздуха, необходимого для сгорания той же дозы топлива, что и в серийном ДВМ, а впрыск большого (в несолько раз больше дозы топлива) количества разогретой воды обеспечивает возможность восстановления массы рабочего тела, частично потерянной при дросселировании, причем это становится возможным лишь благодаря одновременному КО и дросселированию на впуске, снижающему массу свежего заряда без уменьшения количества топлива, что высвобождает часть теплоты, выделяющейся при сгорании топлива, на разогрев впрыскиваемой воды. При этом наличие большого количества воды позволяет не допускать роста температуры сгорания, а значит, и выброса с ОГ окислов азота не только без снижения, а даже при возрастании работы расширения относительно серийного ДВС ввиду роста массы и характеристической газовой постоянной рабочего тела на также расширения и уменьшения величины показателя политропы расширения. Значит, наблюдается суперэффект, превосходящий сумму эффектов при раздельном применении КО, дросселировании свежего заряда на впуске и впрыска воды, причем его возникновение возможно лишь при совместном их применении.

Новым в изобретении является совместное КО и дросселирование свежего заряда и впрыск в ДВС разогретой воды в конце сжатия - начале горения. Сравнение с аналогами показывает, что при этом достигается результат, превышающий сумму эффектов при их раздельном применении. Это дает возможность сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критериям "новизна" и "существенные отличия".

На чертеже показано устройство для осуществления предлагаемого способа.

Устройство состоит из базового дизельного ДВС 1, устройства для обогащения воздуха кислородом, например мембранного газоразделителя 2, водяного насоса 3, теплообменника-рекуператора 4 охлаждающая жидкость-впрыскиваемая вода, теплообменника-рекуператора 5 отработавшие газы - впрыскиваемая вода, теплообменника-рекуператора - экрана 6, размещенного на огневом днище головки ДВС, нагнетательного клапана 7, водяного бака 8, трубопровода 9 подачи воздуха из воздухоочистителя 10 через кран 11 в газоразделитель 2 и далее в ДВС 1, обводного трубопровода 12 с дросселем 13 и сбросного трубопровода 14 с эжектором 15, расположенным в выхлопном тракте ДВС, и водяных трубопроводов - низкого давления 16 и высокого давления 17.

Устройство работает следующим образом.

Поступающий в ДВС через воздухоочиститель 10 воздух может двигаться во впускной коллектор двумя путями: через кран 11 и газоразделитель 2, причем здесь в ДВС поступает газовая смесь (воздуа), обогащенная кислородом до 45% , или через обводной трубопровод 12 при открытом дросселе 13. При этом газовая смесь (воздух) с пониженным кислородосодержанием отсасывается эжектором 15 со стороны низкого давления газоразделителя 2 в выхлопной тракт ДВС. Суммарное кислородосодержание поступающей в ДВС газовой смеси регулируется краном 11 и дросселем 13: при закрытом полностью дросселе 13 и открытом кране 11 в двигатель поступает дросселируемая на газоразделителе смесь с максимальным кислородосодержанием (45% кислорода); при закрытом кране 11 и открытом дросселе 13 - обычный воздух. При промежуточных положениях крана 11 и дросселя 13 кислородосодержание поступающего в ДВС воздуха изменяется от 23 до 45% . При этом давление конца наполнения Р_аизменяется от 0,09 на обычном воздухе до 0,06 МПа на воздухе с максимальным кислородосодержанием. Это позволяет при повышенном кислородосодержании и пониженной массе цилиндрового заряда подать в цилиндр значительно больше, чем это бывает возможно при традиционных способах работы ДВС, количество воды, причем впрыскиваемая через нагнетательный клапан 7 насосом 3 вода, забираемая из бака 8, предварительно разогревается теплотой охлаждающей жидкости в теплообменнике-рекуператоре 4, теплотой отработавших газов в теплообменнике-рекуператоре 5 и теплотой горящей смеси в теплообменике-экране-рекуператоре 6. Подача воды начинается за 5-0^о ПКВ. до начала впрыска топлива и заканчивается через 5-10^о после ВМТ.

Итак, при работе дизеля по заявляемому способу благодаря совместному дросселированию и кислородному обогащению свежего заряда снижается масса цилиндрового заряда, что уменьшает затраты энергии на сжатия, но фактическое количество кислорода остается таким же, как у серийного дизеля, что позволяет сжечь то же количество топлива, что при традиционных способах работы ДВС. Потеря части цилиндрового заряда при дросселировании полностью возмещается за счет впрыска в цилиндр разогретой воды, что позволяет сохранить или даже повысить работу расширения при умеренной величине наибольшей температуры цикла Т_z. В результате повышается мощность и экономичность двигателя и в результате роста концентрации кислорода в смеси и поддержании умеренной температуры T_z снижается токсичность выхлопа.

У серийного ДВМ 4411/12,5 с геометрической степенью сжатия = 16 давление конца наполнения Р_а 0,09 МПа, давление конца сжатия Р_с 4 МПа, эффективная мощность при номинальной частоте вращения 2200 мин^-1составляет N_c= 56,6 кВт. Уравнения термодинамической работы для политропного процесса имеют вид

сжатие l_c= (P_a V_a - P_с V _b) ,

расширение l_p = (P₂ V_z - P_b V _b) , где n₁, n₂ - показатели политропы процессов сжатия и расширения;

V_a, V_c, V_z, V_b - соответственно полный объем, объем камеры сгорания ДВС, объем при максимальном давлении сгорания Р_z и объем при давлении конца расширения Р_в.

Расчетным путем можно установить, что при повышении кислородосодержания свежего заряда путем прокачки его через мембранный газоразделитель на базе поливинилтриметилсилановых мембpан до 45 мас. % и дроссселировании свежего заряда до Р_а= 0,06 МПа Р_с снижается до 2,6 МПа и затраты энергии на сжатие заряда снижаются почти на 40% (на 803,4 нм). Впрыскиваемую в цилиндр воду разогревать целесообразно последовательно: в теплообменнике теплотой охлаждающей жидкости, затем теплотой продуктов сгорания в теплообменнике-рекуператоре ОГ - вода и теплообменнике-экране, установленном на контактирующей с горячей рабочей смесью поверхности головки цилиндра. При этом за счет впрыска воды повышается максимальное давление цикла, снижается показатель политропы расширения n₂ и в результате этого сохраняется или даже несколько увеличивается величина работы расширения. В итоге эффективная мощность двигателя повышается примерно на 16,5% , а наличие в рабочем теле большего количества кислорода и вода и малого количества азота способствует снижению токсичности выхлопа по окислам азота.

При более полной утилизации отводимой от ДВС теплоты можно увеличить дозу и температуру впрыскиваемой воды, что еще более повысит работу расширения. Дополнительно увеличить эффект позволяет также теплоизоляция деталей, образующих камеру сгорания.

(56) Заявка ФРГ N 3013673, кл. F 02 M 33/00, 1981.

Патент США N 4408573, кл. 123-25, опубл. 1983.