способ работы дизеля

Формула изобретения

Способ работы дизеля путем впуска в цилиндры воздуха, впрыскивания в цилиндры топлива, сжигания топлива, выпуска продуктов сгорания и преобразования энергии расширяющихся газов в возвратно-поступательное движение поршней между верхними и нижними точками, утилизации теплоты отработавших газов, отличающийся тем, что утилизацию теплоты отработавших газов осуществляют в термокаталитическом реакторе, размещенном в выпускной системе дизеля, в который подают углеводородное соединение с низкой температурой диссоциации, например, метанол, полученное конвертируемое топливо направляют в цилиндры дизеля, где оно сгорает вместе с дизельным топливом, а дополнительный разогрев отработавших газов осуществляют за счет дожигания содержащихся в них продуктов неполного сгорания, при этом продукты неполного сгорания дизельного выпуска доокисляют в каталитической камере реактора, а выделенную теплоту используют в эндотермическом цикле конверсии углеводородного соединения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к способам работы дизельного двигателя.

Известны способы работы дизелей, при которых осуществляется утилизация тепловой энергии отработавших газов, применяемые на мощных (более 10000 кВт) судовых и стационарных дизелях [1, 2]. В данном случае теплота отработавших газов используется для получения водяного пара в парогенераторных установках. Энергия пара используется затем для привода электрических генераторов, отопления помещений и т.д. Системы, применяемые для утилизации отработавших газов, имеют большие габариты и массу, что исключает возможность их применения на мобильных наземных средствах, например, на автомобилях.

Известен способ работы автомобильного дизеля, основанный на использовании тепловой энергии отработавших газов для получения пара с последующей реализацией его энергии в утилизационном контуре, функционирующем по принципу цикла Ренкина (парогазовый цикл) [3].

К основным недостаткам подобных систем, которые сдерживают возможность их реализации, можно отнести большие габариты, конструктивную и технологическую сложность системы, реализующей способ утилизации теплоты отработавших газов, дополнительные эксплуатационные затраты на техническое обслуживание дизеля. Кроме того, способ работы дизеля, реализующий эту идею, предусматривает необходимость в использовании сложных систем управления и регулирования параметрами утилизационного контура.

В основу изобретения поставлена задача повышения эффективности работы дизеля, а также улучшение экологических его качеств за счет совокупного использования как теплового, так и химического компонентов энергетического потенциала отработавших газов дизеля.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе работы дизеля путем впуска в цилиндры воздуха, впрыскивания в цилиндры топлива, сжигания топлива, выпуска продуктов сгорания и преобразование энергии расширяющихся газов в возвратно-поступательное движение поршней между верхними и нижними точками, в термокаталитический реактор, размещенный в выпускной системе дизеля, подают углеводородное соединение с низкой температурой диссоциации, например, метанол, полученные в процессе эндотермического преобразования углеводородного соединения газообразные продукты направляют в цилиндры дизеля, где они сгорают вместе с дизельным топливом, а дополнительный разогрев термокаталитического реактора осуществляют за счет химической энергии содержащихся в отработавших газах продуктов неполного сгорания, при этом продукты неполного сгорания дизельного выпуска доокисляют в специальной каталитической камере реактора (аналог каталитического нейтрализатора отработавших газов), а выделенную теплоту используют в эндотермическом цикле конверсии углеводородного соединения.

В результате повышается эффективность работы дизеля за счет утилизации ранее безвозвратно теряемой энергии отработавших газов и повторного ее использования в рабочем цикле дизеля для совершения полезной дополнительной работы. Кроме того, происходит утилизация не только тепловой энергии отработавших газов, но и их химической энергии за счет дожигания продуктов неполного сгорания. Техническим результатом является повышение топливной экономичности и снижение токсичности отработавших газов дизеля.

На фиг.1 приведена схема работы дизеля, где 1 - термокаталитический реактор конверсии жидких углеводородных соединений, установленный в выпускной системе дизеля 2, и энергетических потоков, осуществляемых в дизеле.

Термокаталитический реактор конверсии метанола (или другого углеводородного соединения с низкой температурой диссоциации) устанавливается в выпускной системе дизеля и адаптируется по своим основным параметрам (производительности, площади теплообменной поверхности, объему катализатора и др.) с располагаемыми энергетическими и температурными возможностями выпускных газов данного дизеля.

Конвертированное топливо (газовая водородосодержащая смесь) подается в рабочее пространство дизеля через впускной трубопровод вместе с воздушным зарядом, где оно воспламеняется “запальной” порцией дизельного топлива и, сгорая, высвобождает накопленную в процессе его предварительного эндотермического преобразования энергию.

Оптимальное согласование законов подачи основного (дизельного) топлива и конвертированного может быть осуществлено экспериментальным путем.

Как видно из схемы фиг.1, суммарная теплота Q₁, введенная за цикл в дизели с дизельным и конвертированным топливами, соответствует:

где Н^T_U, Н^K_U и Н^M_U - теплоты сгорания дизельного топлива, конвертированного топлива (продуктов конверсии) и метанола соответственно;

G_T и G_M - цикловой расход дизельного топлива и метанола;

Н ^K_U G_M - дополнительное количество теплоты, введенное в цикл за счет термохимической регенерации и обусловленное разностью теплоты сгорания конвертированного топлива и метанола:

Н ^K_U G_M=(Н^K_U -Н^M_U)G_M.

Количество теплоты, регенерируемой в цикл дизеля, соответствует эндотермическому тепловому эффекту реакции диссоциации цикловой дозы метанола, для организации которой расходуется тепловая энергия внешнего источника - теплоносителя (отработавших газов).

Тепловая энергия отработавших газов, используемая для организации конверсионного процесса, определится как разность энтальпий газов на входе и выходе реактора:

где G_ОГ - цикловой расход отработавших газов через двигатель;

С^ОГ_Р - средняя в рассматриваемом интервале температур теплоемкость отработавших газов;

i’_ОГ и i’’_ОГ - температура отработавших газов на входе и выходе реактора.

Из совместного рассмотрения зависимости (1) и выражения (2) становится очевидным, что количество регенерируемой теплоты за цикл

(H^K _U-Н^M_U)G_M=4200 G _M, кДж/цикл

зависит от количества исходного углеводородного соединения, например, метанола, прошедшего стадию термохимического преобразования в термокаталитическом реакторе.

На фиг.2 приведено поле температур экспериментального реактора конверсии метанола, конструкция которого позволяет использовать не только тепловую энергию отработавших газов (греющего теплоносителя), но и химическую.

В данной конструкции дополнительный разогрев отработавших газов (теплоносителя) осуществляется за счет дожигания содержащихся в них энергоемких (токсичных) продуктов неполного сгорания (СО, СН) благодаря применению окислительной каталитической среды.

Для этой цели в общем корпусе аппарата конструктивно объединены реактор конверсии метанола и каталитический нейтрализатор отработавших газов. Организация экзотермического (с выделением теплоты) процесса доокисления в секции каталитического нейтрализатора продуктов неполного сгорания, содержащихся в отработавших газах, позволяет не только утилизировать нереализованную в процессе сгорания в ДВС химическую энергию топлива, но и совершенствовать экологические качества двигателя.

Расчетная величина дополнительного теплового эффекта в этом случае определялась как:

где Н_ui, m_i - теплота сгорания и массовое содержание в отработавших газах i-го компонента неполного сгорания топлива соответственно;

G_B, G_M , G_T - массовый расход через двигатель воздуха, метанола и дизельного топлива соответственно.

Процесс преобразования (конверсии) исходного жидкого углеводородного соединения, например, метанола осуществляется на основе эндотермических реакций, то есть с поглощением теплоты, отбираемой от отработавших газов дизеля. Поэтому, согласно закону Гесса, продукты конверсии имеют более высокую теплоту сгорания по сравнению с теплотой сгорания жидкого исходного углеводородного соединения, например, метанола.

Таким образом, часть энергии отработавших газов дизеля идет на повышение теплотворной способности продуктов конверсии, которые при сгорании в дизеле высвобождают эту энергию для совершения полезной работы.

Предварительная энергетическая оценка эффекта термохимической регенерации (утилизации) теплоты отработавших газов дизеля, работающего совместно с реактором конверсии углеводородного соединения, например, метанола, достаточно просто может быть установлена на основе сравнения величины теплоты сгорания исходного жидкого углеводородного соединения, например, метанола и газообразных продуктов его диссоциации. Например, для метанола теплота сгорания равна 19670 кДж/кг. Продуктами сухой конверсии метанола являются Н₂ и СО, содержащиеся в конверсионной смеси в соотношении 65 об.% (12,5% по массе) и 35 об.% (87,5% по массе) соответственно. Теплота сгорания данной двухкомпонентной газовой смеси равна 23870 кДж/кг.

Таким образом, при сгорании в дизеле 1 кг продуктов конверсии метанола, полученных из такой же массы жидкого метанола, высвобождается дополнительно тепловая энергия, накопленная в процессе разложения спиртового топлива, равная Н_u(пкм) -Н_u(м)=4200 кДж/кг, то есть более 20% энергии отработавших газов, используемой на эндотермическую реакцию конверсии метанола, возвращается в рабочий цикл дизеля.

Термохимическая сущность процесса регенерирования энергии отработавших газов дизеля отражает основные положения термодинамики, в частности, закон Гесса и его следствия.

Из рассмотренного выше следует, что предварительное разложение жидких углеводородов, например, метанола для питания дизеля позволяет повысить эффективность работы дизеля за счет регенерации отходящей с отработавшими газами энергии. В этом случае рабочий процесс дизеля реализуется на основе регенеративного термодинамического цикла.

Таблица 1 Показатели эффективности процесса конверсии метанола для различных нагрузочных режимов работы дизеля 1Ч8, 5/7
Режим работы двигателя		Температура в точках замера,°С (фиг.2)						Состав синтез-газа, %				Расход метанола, л/ч
n, мин-1	Ne, кВт	Т 1	Т2	Т3	Т 4	Т5	Т6	Н 2	СО	СО 2	Остаток СН3 ОН
3000	1,4	25	260	245	240	230	180	24,9	30,1	2,6	42,4	0,2
3000	3,2	28	280	255	345	320	260	53,1	31,1	6,9	5,9	0,2
3000	5,7	30	320	270	580	555	395	60,0	38,1	0,4	1,5	0,2

Источники информации

1. Селиверстов В.М. Утилизация тепла в судовых дизельных установках. Л.: Судостроение, 1973. - 256 с.

2. Кокурошников М.М. Судовые утилизационные установки. - М.: Речной транспорт, 1989. - 172 с.

3. Шейпак А.А., Балдин В.П. Утилизационные паровые турбины автотракторных двигателей внутреннего сгорания // Автомобильная промышленность. - 1985. - №12. - С.12-14.

Авторские свидетельства по приоритетности идеи утилизации тепловой энергии выпускных (отработавших) газов двигателей внутреннего сгорания - аналоги:

1. А.с. 1129399 (СССР) Силовая установка / Завод-втуз при ЗИЛе и НИКТИД. - Авторы изобрет.: А.А.Шейпак, Н.Г.Хохлов, В.П.Балдин и др. Заявл. 28.01.83; №3579507/25-06. Опубл. в Б.И. №46, 1984.

2. А.с. 1267030 (СССР). Силовая установка / Завод-втуз при ЗИЛе и НИКТИД. - Авторы изобрет.: А.А.Шейпак, Н.Г.Хохлов, В.П.Балдин и др. Заявл. 13.06.84; №3751050/25-06. Опубл. в Б.И. №40, 1986.