УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАПУСКА ДИЗЕЛЯ Российский патент 1994 года по МПК F02N9/00 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для запуска дизельных энергоустановок при низких температурах окружающей среды.

Известно устройство запуска дизеля, содержащее твердотопливный газогенератор, газораспределитель, сообщенный с последним и кинематически связанный с валом дизеля, и резервуар с жидким топливом, снабженный впускным трубопроводом с запорным органом и выпускным трубопроводом, конец которого размещен во впускном коллекторе дизеля, причем твердотопливный газогенератор дополнительно сообщен с впускным коллектором дизеля [1] .

Основной недостаток устройства - низкая надежность, вызванная однократностью действия устройства и одновременностью процессов генерации и потребления пусковой газовой смеси. Вследствие этого требуется обеспечить при запуске точное соответствие характеристик твердотопливного газогенератора и дизеля, что весьма сложно осуществить.

Существенным недостатком данного устройства является низкая эффективность предпускового прогрева дизеля, так как дизель практически запускается из холодного состояния и имеет место лишь послепусковой прогрев путем подачи горячей смеси в цилиндры. К недостаткам данного технического решения можно отнести также отсутствие очистки пусковой газовой смеси от твердых фракций, образующихся при ее генерации, что снижает надежность и может привести к выходу устройства из строя. Даже если предположить наличие встроенного в газогенератор фильтра, то все равно следует ожидать низкой эффективности очистки в условиях высоких температур, перепадов давлений и относительно больших массовых расходов.

Известно устройство запуска дизеля, принятое авторами за прототип и содержащее емкость высокого давления с зарядом взрывчатого вещества и брикетом твердого источника кислорода, устройство поджига взрывчатого вещества, главный пусковой клапан, клапан-регулятор подачи газовой смеси во всасывающую систему двигателя, распределитель газовой смеси и пусковые клапаны цилиндров двигателя [2] .

Основной недостаток устройства - низкая надежность запуска, вызванная повышенной взрыво- и пожароопасностью, трудностью организации повторного цикла приготовления газовой смеси, невозможностью регулировать в процессе запуска давление газов во впускной системе, что особенно важно для дизелей с наддувом. К недостаткам можно отнести также низкую эффективность предпускового прогрева, так как, по существу, он сводится лишь к подаче горячих газов в цилиндры ДВС при его прокрутке.

Цель изобретения - повышение надежности запуска дизеля при низких температурах окружающей среды.

Поставленная цель достигается тем, что устройство запуска дополнительно снабжено емкостью с запасом дизельного топлива, соединенной посредством клапана-дозатора с емкостью высокого давления, емкостью с запасом твердого кислородсодержащего продукта, связанной с емкостью высокого давления посредством клапана-дозатора подачи кислородсодержащего продукта, кожухом с пусковым запасом масла, охватывающим нижнюю часть емкости высокого давления, накопителем твердой фракции, образующейся при взрыве пускового заряда, соединенным посредством клапана продувки с пусковой емкостью высокого давления, клапаном-отсекателем подачи воздуха, установленным на впускном трубопроводе дизеля до соединения последнего с клапаном-регулятором подачи пусковой газовой смеси во впускную систему, эжектирующим смесителем, снабженным устройством поджига газовоздушной смеси, установленным на выпуске дизеля и одновременно связанным посредством клапана подачи воздуха с атмосферой, газомасляным теплообменником, установленным газовой полостью на выпускном трубопроводе после эжектирующего смесителя, причем кожух с пусковым запасом масла через пусковой маслопрокачивающий насос, масляную полость газомасляного теплообменника соединен с трубопроводом подачи масла к узлам трения дизеля.

На чертеже представлена принципиальная схема заявляемого устройства.

Устройство включает в себя дизель 1 с впускной 2 и выпускной 3 системами, пусковые клапаны 4, распределитель газовой смеси 5, емкость высокого давления 6, главный пусковой клапан 7, клапан-регулятор подачи газовой смеси на пуск дизеля 8, клапан-дозатор подачи дизельного топлива 9, клапан-дозатор подачи твердого кислородсодержащего продукта 10, емкость с запасом дизельного топлива 11, емкость с запасом кислородсодержащего продукта 12, клапан 13 продувки пусковой емкости высокого давления 6, устройство поджига пускового заряда 14, кожух емкости высокого давления с пусковым запасом масла 15, накопитель 16 твердой фракции, образующейся при взрыве пускового заряда, пусковой маслопрокачивающий насос 17, клапан-отсекатель подачи воздуха 18, клапан подачи воздуха 19, эжектирующий смеситель 20, устройство поджига газовоздушной смеси 21, газомасляный теплообменник 22.

Устройство работает следующим образом. В исходном положении все клапаны, кроме клапана 19, закрыты. По команде на запуск открывают клапан-дозатор 10 подачи кислородсодержащего продукта и заполняют емкость высокого давления 6 требуемым количеством кислородсодержащего продукта из емкости 12. Возможно также и предварительное (до команды на запуск) заполнение емкости 6 данным продуктом. После закрытия клапана-дозатора 10 открывают клапан-дозатор 9 и подают в емкость 6 требуемое количество дизельного топлива. Количества топлива и кислородсодержащего продукта определяются, исходя из требуемого давления, температуры и состава пусковой смеси. После закрытия клапана-дозатора 9 включается устройство 14 поджига пускового заряда, состоящего из смеси дизельного топлива и кислородсодержащего продукта. Происходит взрывная реакция горения дизельного топлива в атмосфере кислорода. Зная элементарный состав дизельного топлива: углерода С≈87% , водорода Н≈13% , реакцию горения топлива можно описать следующими уравнениями:
C (1)
Наличие определенного количества СО в продуктах сгорания, помимо возможного недостатка кислорода, можно объяснить также взрывным характером горения и неоднородностью смеси топлива и кислородсодержащего продукта.

СО присутствует в продуктах сгорания даже при соотношениях топлива и кислородсодержащего продукта, близких к стехиометрическим. В качестве топлива для приготовления пусковой газовой смеси можно, помимо дизельного, использовать, например, бензин, различные виды масел и т. п. Однако в дизельных энергоустановках это вряд ли целесообразно. В качестве кислородсодержащего продукта можно использовать перекиси или надперекиси щелочных металлов, например надперекись натрия NaO₂.

Преимуществом использования надперекиси натрия является большой выход кислорода, химическая стойкость и возможность длительного хранения, высокая реакционная способность, освоенность производства промышленностью. Получение кислорода в процессе взрыва происходит по реакциям термического разложения:
2
(2)
При этом пары воды из состава продуктов сгорания связываются в твердую фазу по реакциям:

(3)
Таким образом, при взаимодействии топлива и кислородсодержащего продукта образуется смесь газов СО₂, СО и О₂, а также твердая фаза Na₂O, NaO, NaOH. При этом выделяется значительное количество теплоты. Причем удельная теплота взрыва указанного заряда продукта 10000 ккал/кг, то есть на порядок выше, чем у взрывчатых веществ (теплота взрыва бездымного пороха 700-1300 ккал/кг, дымного - 720 ккал/кг). Фракционный состав частиц твердой фазы продуктов реакции взрыва, очевидно, будет аналогичен фракционному составу кислородсодержащего продукта, выпускаемого, как правило, в виде порошка или гранул с диаметром частиц 1-5 мм. Поэтому через определенное время, не более 2-5 мин (для частиц данного размера с насыпкой плотностью порядка 1 г/cм³), в емкости 6 происходит естественное отделение газообразной и твердой фазы, выпадающей в осадок. При этом теплота от газов и твердых частиц через стенки емкости 6 передается запасу масла, находящемуся в кожухе 15.

По истечении времени, необходимого для отстоя в емкости 6 твердых частиц, открываются клапана 7 и 8. Одновременно включаются маслопрокачивающий насос 17 и устройство поджига газовоздушной смеси 21. Одновременно происходит раскрутка коленчатого вала дизеля до пусковой частоты вращения, подача пусковой газовой смеси на впуск двигателя с требуемой для успешного воспламенения топлива температурой, составом и давлением, сгорание СО из газовой смеси в присутствии кислорода воздуха в смесителе 20, сопровождающееся подогревом масла в теплообменнике 22, а также подача разогретого масла к подшипникам коленчатого вала. По завершении предпускового прогрева двигателя, длительность которого тем больше, чем ниже температура окружающей среды, открывают подачу топлива в дизель, и он запускается. После этого открывают клапан-отсекатель 18 и закрывают клапаны 7, 8, 19, а также останавливают маслопрокачивающий насос. При необходимости клапан 8 может быть и далее частично открыт для послепускового прогрева дизеля горячими газами.

После запуска и прогрева двигателя открывают клапан продувки 13, и твердые частицы под действием остаточного давления емкости 6 продуваются в накопитель 16. После осаждения твердых частиц в емкости 6 оставшаяся пусковая газовая смесь может быть удалена путем открытия клапана 8, после чего клапаны 8 и 13 закрывают т, таким образом, установка готова к последующему циклу запуска дизеля.

Технико-экономическая эффективность заявляемого способа заключается в следующем.

Повышенная надежность пуска вследствие: использования бинарного пускового заряда в виде смеси дизельного топлива и твердого кислородсодержащего продукта, при этом раздельное хранение компонентов существенно снижает взрыво- и пожароопасность установки; использования для сгорания дизельного топлива, обладающего на порядок большей удельной теплотой взрыва, чем обычное взрывчатое вещество; более интенсивного предпускового прогрева дизеля за счет дополнительного разогрева масла, подаваемого в подшипники дизеля, что особенно важно при раскрутке вала в пуске дизеля в условиях низких температур, при этом теплота взрыва используется более полно вследствие дожигания СО пусковой смеси и дополнительного отвода тепла от емкости высокого давления; возможности регулировать при запуске не только температуру и состав газовой смеси на впуске дизеля, но и ее давление с помощью клапанов 18 и 8, что особенно важно для пуска дизелей с наддувом, поскольку у них в процессе запуска турбокомпрессор не развивает требуемого давления, что существенно затрудняет пуск; возможности многократного использования устройства без разборки каких-либо элементов; наличие клапанов 7, 8, 9, 10, 13 позволяет полностью автоматизировать циклы запуска; способности индивидуального для каждого цикла запуска (или только прогрева) дозировать компоненты пускового заряда и, таким образом, обеспечить оптимальные термодинамические параметры, состав О₂, СО₂ и СО в пусковой смеси.

Улучшаются технико-экономические показатели установки за счет применения более доступных исходных компонентов заряда - дизельного топлива и кислородсодержащего продукта, например, технической надперекиси натрия.

Снижается взрыво- и пожароопасность установки вследствие применения бинарного заряда, компоненты которого в отдельности не относятся к классу взрывчатых веществ.

Совокупность отличительных признаков заявляемого технического устройства являются: наличие клапана-отсекателя 8 во впускной системе дизеля; наличие клапанов-дозаторов 9 и 10 и соответственно емкостей с запасом топлива и кислородсодержащего продукта; наличие бака-сепаратора 16 и клапана продувки 13; наличие эжектирующего смесителя 20, газомасляного теплообменника 22, кожуха 15 с пусковым запасом масла, охватывающего емкость высокого давления 6.

Указанная совокупность удовлетворяет критерию существенные отличия, так как сообщает устройству ряд новых свойств; возможность создавать при раскрутке коленчатого вала требуемый наддув во всасывающей системе (на время разгона турбокомпрессора) за счет элемента 8; возможность дозированного приготовления пускового заряда с помощью элементы, при этом плавно, в широких пределах могут быть изменены термодинамические параметры (давление и температура) пусковой смеси, а также относительное содержание в ней СО₂, СО и О₂; возможность безразборного автоматического функционирования устройства за счет элементов 9 и 10; использование для предпускового прогрева дизеля не только теплоты, содержащейся в пусковой смеси в результате взрыва, но и теплоты от дожигания СО пусковой смеси на воздухе, а также теплоты, аккумулированной стенками пусковой емкости высокого давления; отсутствие взрывоопасных продуктов в составе установки при нахождении ее в режиме готовности. В режиме же функционирования имеет место безразборное приготовление пускового заряда внутри емкости высокого давления.

Сущность изобретения: устройство содержит емкость с запасами дизельного топлива и кислородоносителя, которые сообщены с емкостью высокого давления, накопитель твердой фракции, установленный на выпуске дизеля, эжектирующий смеситель с устройством поджига газовоздушной смеси, газомасляный теплообменник. Предварительно из смеси выжигают СО в эжекционном смесителе, теплота его сжигания используется для подогрева масла. 1 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАПУСКА ДИЗЕЛЯ, содержащее емкость высокого давления, соединенную через главный пусковой клапан, распределитель газовой смеси и пусковые клапаны с цилиндрами дизеля, имеющего впускной и выпускной трубопроводы и узлы трения, и через клапан-регулятор подачи пусковой газовой смеси связанную с впускным трубопроводом дизеля, и механизм поджига, соединенный с емкостью высокого давления, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности запуска при низких температурах, оно снабжено клапаном продувки, пусковым маслопрокачивающим насосом, двумя клапанами-дозаторами, баком с запасом дизельного топлива, соединенным посредством первого клапана дозатора с емкостью высокого давления, баком с запасом твердого кислородсодержащего продукта, связанным с емкостью высокого давления посредством второго клапана-дозатора для подачи кислородсодержащего продукта, кожухом с пусковым запасом масла, охватывающим нижнюю часть емкости высокого давления, накопителем твердой фракции, образующейся при взрыве пускового заряда, соединенным посредством клапана продувки с емкостью высокого давления, клапаном подачи воздуха, клапаном-отсекателем воздуха, установленным на впускном трубопроводе дизеля до соединения последнего с клапаном-регулятором подачи пусковой газовой смеси, эжектирующим смесителем с механизмом воспламенения, установленным в выпускном трубопроводе на выпуске дизеля и одновременно связанным посредством клапана подачи воздуха с атмосферой, и газомасляным теплообменником с масляной и газовой полостями, причем газовая полость размещена на выпускном трубопроводе после эжектирующего смесителя, а кожух с пусковым запасом масла через пусковой маслопрокачивающий насос и масляную полость газомасляного теплообменника подсоединен к узлам трения дизеля.