СПОСОБ КОНВЕРТИРОВАНИЯ ПОРШНЕВОГО БЕНЗИНОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ В ДИЗЕЛЬНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 1999 года по МПК F02B69/04 

Изобретение относится к способам работы поршневых двигателей внутреннего сгорания, в частности к способам работы двигателей внутреннего сгорания на различных видах топлива, а главным образом, способам конвертирования бензиновых двигателей с искровым зажиганием в дизельные двигатели с использованием диметилового эфира (CH₃-O-CH₃) в качестве альтернативного моторного топлива.

Известен способ конвертирования бензинового двигателя внутреннего сгорания путем впрыскивания топлива в цилиндры двигателя в такте наполнения (см. Орлин А. С. и др. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей. М.: Машиностроение, 1983 г., с. 372).

По существу данный способ представляет собой развитие традиционного способа организации рабочего процесса со сжатием топливовоздушной смеси и не обеспечивает дополнительный эффект, связанный с реализацией в бензиновом двигателе дизельного цикла.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ конвертирования поршневого бензинового двигателя внутреннего сгорания в дизельный двигатель, заключающийся в подаче топлива в тактах сжатия и расширения (см. MTZ N 9, 1989, с. 426-427).

Основными недостатками известного способа являются высокий уровень вредных веществ в выпускных газах, повышенный расход топлива, высокая стоимость изготовления двигателя.

Изобретение устраняет эти недостатки.

Технический результат достигается тем, что в способе конвертирования поршневого бензинового двигателя внутреннего сгорания в дизельный двигатель, заключающемся в подаче топлива в цилиндры двигателя в тактах сжатия и расширения, согласно изобретению, при работе на диметиловом эфире последний предварительно сжимают до давления, превышающего в 2-4 раза давление насыщенных паров, затем дополнительно сжимают до давления, в 5-6 раз превышающего давление газа в конце такта сжатия в цилиндре двигателя, количество диметилового эфира, поступающего в цилиндры в такте сжатия, составляет не более 20% от цикловой подачи, объемную подачу дополнительно сжатого диметилового эфира обеспечивают в количестве в 2 раза большем по сравнению с подачей в бензиновом двигателе внутреннего сгорания, при этом величину степени сжатия в цилиндрах повышают до 14-18 по сравнению с бензиновым двигателем, в котором степень сжатия составляет 7...9.

На чертеже представлено устройство для реализации заявляемого способа.

Сжиженный диметиловый эфир содержится под давлением его насыщенных паров в расходном баллоне (или нескольких баллонах) 1, с двумя вентилями: вентилем отбора жидкой фазы 2, сообщенным с нижней частью баллона, и вентилем подвода в баллон парожидкостной фазы 3, сообщенным с верхней частью баллона. Отбираемый от вентиля 2 диметиловый эфир предварительно сжимается в шестеренчатом топливоподкачивающем насосе 4 с приводом от двигателя 5, а затем - в подсоединенном к нему с помощью входного штуцера 6 дизельном топливном насосе высокого давления 7 с последующим впрыскиванием через подсоединенные с помощью трубок высокого давления 8 дизельные топливные форсунки 9 в цилиндры двигателя 5 на тактах сжатия и расширения под давлением, в 5-6 раз превышающим давление сжатия газа в цилиндрах двигателя (300-350 бар). В обеспечение равенства энергосодержания объемных подач топлива при работе на диметиловом эфире и базовом топливе (бензине) объемная подача диметилового эфира принимается в 2 раза большей, чем на базовом топливе. Для ограничения показателей динамики цикла в цилиндрах двигателя, в частности, обеспечения условия примерного равенства максимального давления сгорания давлению газа в конце такта сжатия, закон и фазу топливоподачи организуют так, чтобы количество диметилового эфира, впрыскиваемого по ВМТ (на такте сжатия) не превышало 20% цикловой подачи, а его самовоспламенения в цилиндре происходило сразу же за ВМТ (1-3^o после ВМТ). Для стабилизации процесса топливоподачи и предотвращения парообразования в системе низкого давления объемная производительность топливоподкачивающего насоса выбирается в 3-4 раза большей, чем подача топливного насоса высокого давления, что позволяет соответствующим образом увеличить рециркуляцию через топливный насос высокого давления топлива за счет отводящегося через штуцер 10 отсечки топливного насоса высокого давления и направляемого в расходный баллон через вентиль паровой фазы 3 топлива отсечки топливного насоса высокого давления. С помощью установленного в отсечной магистрали крана (или специально подобранного жиклера) 11 давление в приемной полости топливного насоса высокого давления регулируется до уровня 10 - 20 бар, т.е. в 2 - 4 раза превышающего давление насыщенных паров диметилового эфира, а степень рециркуляции отсечного топлива - до уровня, в 2,5 - 3,5 раза большего, чем подача топливного насоса высокого давления.

Для уменьшения утечек диметилового эфира через зазоры в плунжерных парах топливного насоса высокого давления в нем используются, так называемые, плунжерные пары с дренажем топлива, в нижней части гильз которых выполнены дренажные кольцевые вытачки, сообщающиеся в период наполнения с надплунжерной полостью, куда и отводится просачивающееся через зазоры топливо. Топливо же, просочившееся из кольцевых вытачек в подплунжерную полость и испарившееся там, вентилируется из корпуса топливного насоса высокого давления через штуцер 12 с помощью трубки, подсоединенной к впускному коллектору 13 двигателя 5. Аналогично, диметиловый эфир, просочившийся через прецезионные элементы топливных форсунок 9, отводится через объединенную сливную магистраль форсунок 14 в паровую полость расходного баллона через вентиль 3.

Использование в качестве топлива диметилового эфира позволяет преобразовать бензиновый двигатель внутреннего сгорания в дизель и повысить его степень сжатия до 14 - 18 в обеспечение существенного снижения удельного расхода топлива.

Возможность такого результата обусловлена уникальными физико-химическими и химмотологическими показателями диметилового эфира, такими как существенно улучшенные воспламеняемость (цетановое число = 55 - 60) и испаряемость, высокое (35%) содержание кислорода, благоприятная, способствующая бездымному сгоранию структура молекулы (отсутствии углерод-углеродных связей) и др. Как показали результаты проводящихся в настоящее время за рубежом работ по применению диметилового эфира в качестве альтернативного моторного топлива в дизелях, отмеченные показатели диметилового эфира позволяют существенно улучшить протекание процессов смесеобразования и сгорания при работе по дизельному циклу. В частности, уменьшается влияние конструкции камеры сгорания, топливной аппаратуры, регулировок и режимных параметров двигателя на термодинамическое совершенство цикла, обеспечивается его сохранение при смещении фазы воспламенения за ВМТ, что позволяет существенно понизить показатели динамики цикла (до примерного равенства величин максимального давления сгорания и давления газа в конце такта сжатия) и показатели шума до уровня в бензиновых двигателей. Все это, как показывает анализ, позволяет повысить степень сжатия с сопутствующим улучшением экономичности при сохранении и даже некотором снижении уровня тепломеханической напряженности двигателя, что открывает возможность сохранения неизменной конструкции основных узлов бензинового (базового) двигателя в целом, т.е. приведет к существенному снижению трудозатрат и стоимости конвертирования по сравнению с известными прототипами.

Из экономического анализа вытекает, что при организации промышленного производства диметилового эфира из природного газа и другого углеводородного сырья, в том числе, бросового (биомассы), его стоимость (энергетическая) будет близка к стоимости дизельного топлива и на 15% ниже стоимости бензина. Поэтому расчеты показывают, что при ожидаемом улучшении экономичности на 20 - 30%, срок окупаемости финансовых затрат на реализацию предложения составит 1 - 2 года, после чего проект может приносить прибыль, которая, учитывая существующий многомиллионный парк бензиновых двигателей, может оказаться довольно значительной.

Таким образом, предлагаемый способ конвертирования бензиновых двигателей в дизели, т. е. по существу организации в их цилиндрах дизельного рабочего процесса, состоит, помимо необходимой для реализации этого замены системы зажигания и топливных баков бензинового двигателя на дизельную топливную аппаратуру и баллоны для сжиженных газов, также в применении сжиженного диметилового эфира в качестве альтернативного моторного топлива и повышении степени сжатия с исходного значения в бензиновых двигателях 7 - 9 до уровня дизельных двигателей - 14 - 18. Реализация предлагаемого способа потребует также организации описанного процесса топливоподачи и применения представленной на чертеже принципиальной схемы топливной системы, которая, в частности, обеспечивает стабильную работу (без запирания паровыми пробками) на таком легко испаряющемся альтернативном топливе как диметиловый эфир.

Изобретение может быть использовано в двигателестроении. Способ конвертирования заключается в том, что при использовании в качестве топлива диметилового эфира его впрыскивают в двигатель в такте сжатия и расширения. Диметиловый эфир предварительно сжимают до давления в 2-4 раза выше давления насыщенных паров, затем дополнительно сжимают до давления, в 5-6 раз превышающего давление газа в цилиндре в конце такта сжатия, составляет не более 20% от цикловой подачи. Степень сжатия повышают до 14-18. Технический результат заключается в уменьшении уровня вредных веществ в выпускных газах, уменьшении расхода топлива и снижении стоимости изготовления двигателя. 1 ил.

Способ конвертирования поршневого бензинового двигателя внутреннего сгорания в дизельный двигатель, заключающийся в подаче топлива в двигатель в такте сжатия, отличающийся тем, что при работе на диметиловом эфире осуществляют подачу топлива и на такте расширения, диметиловый эфир предварительно сжимают до давления, превышающего в 2-4 раза давление его насыщенных паров, а затем дополнительно сжимают до давления, в 5-6 раз превышающего давление газа в конце такта сжатия в цилиндрах двигателя, количество диметилового эфира, поступающего в цилиндры на такте сжатия, составляет не более 20% от цикловой подачи, объемную подачу дополнительного сжатого диметилового эфира обеспечивают в количестве, в 2 раза большем по сравнению с подачей в бензиновом двигателе, при этом величину степени сжатия в цилиндрах повышают до 14-18.