СПОСОБ РАБОТЫ ГАЗОВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2000 года по МПК F02B43/12 F02B47/10 

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к способу работы газового двигателя внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано в различных отраслях промышленности: в энергетике, в нефтяной и газовой промышленности, в сельском хозяйстве, на транспорте и др.

Известно, что дизельные машины, работающие на дизельном топливе, обеспечивают существенную экономию топлива по сравнению с машинами с принудительным воспламенением топлива. Однако существенный недостаток традиционных дизельных машин заключается в значительном содержании в выхлопных газах оксидов азота, углерода и остаточных углеводородных компонентов. В этом отношении предпочтительным представляется газообразное топливо, в частности природный газ. При его использовании резко сокращается содержание вредных веществ в выхлопных газах. Однако использование природного газа приводит к снижению мощности двигателя, и так как природный газ имеет достаточно высокую температуру воспламенения, то в традиционных ДВС используются различные источники принудительного зажигания, в частности калильного и искрового.

В связи с тем, что при сгорании газового топлива в камерах сгорания ДВС развиваются высокие температуры, возникает необходимость в применении надежных систем зажигания специального типа, которые, однако, повышают себестоимость единицы механической и тепловой работы, производимой в подобных агрегатах.

При этом выходная мощность газового двигателя сравнима с выходной мощностью традиционного дизеля только в том случае, если природный газ подается в камеру сгорания под давлением. Это, в свою очередь, ведет к усложнению конструкции газового двигателя и необходимости сложных систем управления его работой.

Известны способы работы ДВС, основанные на компрессионном зажигании, в которых в качестве топлива используется метанол и другие низкоцетановые топлива (см. патент США N 4539948). Способ предусматривает применение модифицированной системы ограничения подачи воздуха в цилиндр ДВС, что достигается нагреванием заряда остаточными выхлопными газами. Уменьшение потока воздуха, подаваемого в рабочий объем, дополнительно контролируемого за счет байпасного потока, обеспечивает температуру заряда, необходимую для самовоспламенения метанола. Системы принудительного зажигания могут использоваться только для запуска и прогревания сырья. При этом метанол впрыскивается в цилиндр ДВС. В качестве топлива допустимо также использование других спиртов.

Основным недостатком данного способа является относительно высокая стоимость и токсичность метанола.

Наиболее близким к настоящему изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ работы ДВС компрессионного типа, в котором в качестве топлива используется водород (патент США N 4282835). В данном способе ДВС работает совместно с каталитическим реактором, в котором исходное топливо - метанол конвертируется в диоксид углерода и водород. Последний направляется непосредственно в рабочий объем ДВС. Ввиду относительно низкой температуры самовоспламенения водорода его компрессионное зажигание осуществляется без существенных трудностей. Скорость распространения и температура пламени водорода регулируется дополнительной подачей воды. Использование водорода в качестве топлива в данном случае обеспечивает низкую концентрацию вредных выбросов в выхлопных газах и повышает на 18-20% тепловую мощность ДВС, работающего на водородном топливе по сравнению с метанолом.

Основным недостатком прототипа является использование в качестве компонента моторного топлива водорода, который имеет высокую стоимость, взрыво- и пожароопасность. Вызывает затруднение также хранение больших количеств водорода на заправочных станциях. Кроме того, возникает необходимость в использовании конвертора метанола в водород, что также усложняет способ работы ДВС.

Задачей изобретения является обеспечение оптимального проведения процесса горения (полноты сгорания) любых видов топлива в газовой и паровой фазе с повышением КПД и мощности двигателя, снижение концентрации вредных выбросов (NO_x, CO, CH и т.д.), снижение тепловых и механических нагрузок двигателя, что способствует улучшению его эксплуатационных характеристик.

Поставленная задача решается тем, что способ работы газового двигателя внутреннего сгорания (ДВС), включающий подачу в рабочий объем ДВС смеси окислителя и топлива, ее сжатие, воспламенение и горение с образованием продуктов сгорания и совершением механической работы, согласно изобретению, топливно-окислительную смесь сжимают до ее самовоспламенения при коэффициенте избытка окислителя α > 0,8, где α - мольное отношение фактически затраченного количества кислорода к стехиометрическому.

Кроме того, достигнутый эффект может быть увеличен тем, что в рабочий объем ДВС подают продукты сгорания, дозированное количество воды или водяного пара, добавки, дополнительный поток топлива, дополнительный поток окислителя, дополнительный поток топливно-окислительной смеси.

Кроме того, достигнутый эффект может быть увеличен тем, что в рабочий объем ДВС перед подачей топливно-окислительной смеси частично заполняют продуктами сгорания, продукты сгорания подают в рабочий объем при сжатии топливно-окислительной смеси, дозированное количество воды или водяного пара подают в рабочий объем при сжатии топливно-окислительной смеси, добавки подают в рабочий объем при сжатии топливно-окислительной смеси, дополнительный поток топлива подают в рабочий объем при сжатии топливно-окислительной смеси, дополнительный поток окислителя подают в рабочий объем при сжатии топливно-окислительной смеси, дополнительный поток топливно-окислительной смеси подают в рабочий объем при сжатии топливно-окислительной смеси, продукты сгорания подают в линию рециркуляции, в которые вводят окислитель и/или топливо, в продукты сгорания вводят окислитель и/или топливо, и полученную смесь подают через каталитический блок в рабочий объем ДВС, в продукты сгорания вводят окислитель и/или добавки, и полученную смесь подают через каталитический блок в рабочий объем ДВС, топливо подают в рабочий объем при повышенном давлении, окислитель подают в рабочий объем при повышенном давлении и дополнительно используют систему зажигания топливно-окислительной смеси.

Способ предусматривает также подачу в рабочий объем ДВС потоков: продуктов сгорания, дозированного количества воды или водяного пара, добавок, дополнительных потоков топлива, окислителя и топливно-окислительных смесей. Причем, вышеперечисленные потоки допустимо подавать в различных (любых) сочетаниях. Кроме того, любые из вышеперечисленных потоков допустимо подавать в рабочий объем ДВС при сжатии топливно-окислительной смеси (в любой момент сжатия). Любые из вышеперечисленных потоков (в любых сочетаниях) допустимо подавать в линию рециркуляции, а также в линию рециркуляции с подачей смеси через каталитический блок в рабочий объем ДВС.

Любые из вышеперечисленных потоков (в любых сочетаниях) допустимо подавать в рабочий объем ДВС, частично заполненный продуктами сгорания. Кроме того, как топливо, так и окислитель допустимо подавать в рабочий объем ДВС при повышенном давлении. Все вышеперечисленные варианты осуществления способа могут дополнительно использовать систему зажигания топливно-окислительной смеси.

Сущностью настоящего изобретения является предложенный способ работы газового ДВС, который при сжатии топливно-окислительной смеси при коэффициенте избытка окислителя α > 0,8 обеспечивает ее самовоспламенение, устойчивую работу с высоким КПД и мощностью, т.е. реализуется газовый ДВС компрессионного типа. Способ предусматривает также подачу в рабочий объем ДВС вышеприведенных дополнительных потоков в различных (любых) сочетаниях, подачу их при сжатии топливно-окислительной смеси, подачу их в линию рециркуляции, в линию рециркуляции через каталитический блок, подачу их в рабочий объем ДВС, частично заполненный продуктами сгорания, подачу топлива и окислителя при повышенном давлении, а также в сочетании с использованием системы зажигания. Все вышеприведенные варианты реализации предложенного способа способствуют улучшению показателей работы ДВС.

В частности, если в качестве топлива используется метан, то согласно изобретению способ реализуется при подаче в ДВС на 1 моль CH₄ более 1,6 моля O₂.

В данном случае, в рабочем объеме ДВС протекает основная реакция
CH₄+ 2O₂ ⇄ CO₂+ 2H₂O (1)
И формула, по которой рассчитывается коэффициент избытка окислителя - α, в данном конкретном случае имеет вид:
α = x/2 (2)
где x - количество молей окислителя-кислорода, поданных в рабочий объем две.

В общем случае коэффициент избытка окислителя рассчитывается по формуле:
α = x/n (3)
где x - количество молей окислителя, фактически поданных в рабочий объем ДВС, а n - количество молей окислителя, соответствующих стехиометрии.

В качестве топлива в предлагаемом способе может использоваться любой вид топлива в газовой и паровой фазе. В частности, может быть использовано топливо в газовой фазе на основе CH₄, C₂H₆, C₃H₈, н-, изо-C₄H₁₀, H₂, CO, природного газа и др. Также допустимо использовать любое топливо, которое может быть в паровой фазе подано в рабочий объем ДВС. Допустимо использовать также любые смеси и сочетания приведенных видов топлив.

В качестве окислителя в предлагаемом способе в первую очередь может использоваться воздух, обогащенный кислородом воздух, кислород. Допустимо использование других окислителей, таких как O₃, H₂O₂, и др., как в сочетании с воздухом или обогащенным кислородом воздухом, так и индивидуально. Допустимо использовать также любые смеси и сочетания окислителей, которые могут быть поданы в рабочий объем ДВС.

В качестве добавок в предлагаемом способе могут использоваться любые химические соединения, инициирующие процесс самовоспламенения горючей смеси, расширяющие пределы ее устойчивого горения, положительно влияющие на процессы, протекающие в ДВС. Перечислим некоторые из них.

Оксигенаты: метанол, этанол, трет-бутиловый спирт, втор-бутиловый спирт, диметиловый эфир, метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ), метил-трет-амиловый эфир (МТЛЭ), этил-трет-бутиловый эфир (ЭТБЭ), этил-трет-амиловый эфир (ЭТАЭ), диизопропиловый эфир (ДИПЭ), метил-втор-пентиловый эфир (МВПЭ) и др.

Азотсодержащие соединения: этилнитрат, изоамилнитрат, изопропилнитрат, циклогексилнитрат, октилнитраты, а также другие органические нитраты, нитросоединения, азиды, нитрозо- и азосоединения, органические нитриты и др.

Органические пероксиды: бутилпероксид, ацетилпероксид, треб-бутилпероксиакрилат, а также гидропероксиды, производные органических пероксикислот и др.

Различные антиоксиданты: фенолы и ароматические амины, полициклические углеводороды, нитросоединения, в том числе нитропарафины (нитрометан и др.), хиноны, нитроксильные радикалы, а также элементоорганические соединения, соединения серы, фосфора, марганца, железа и др.

Вышеприведенные добавки далеко не охватывают все многообразие добавок, положительно влияющих на процессы, протекающие в ДВС, которые допустимо использовать в настоящем изобретении.

На чертеже показано устройство для реализации заявленного способа.

Способ осуществляется следующим образом. В смеситель 1 подают окислитель и топливо, например природный газ, с коэффициентом избытка окислителя более 0,8. Далее смесь поступает в рабочий объем 2, в частности в цилиндр(ы) ДВС, где сжимается рабочим органом 3, в частности поршнем, до самовоспламенения с образованием продуктов сгорания и совершением механической работы.

Способ предусматривает также подачу в рабочий объем 2 ДВС следующих потоков: продуктов сгорания (как из линии отработавших газов ДВС, так и от любого другого источника), дозированного количества воды или водяного пара, добавок, дополнительных (помимо подаваемых в смеситель 1) потоков топлива, окислителя и топливно-окислительных смесей. Причем перечисленные потоки допустимо подавать в любых сочетаниях. Кроме того, любые из вышеперечисленных потоков (и их сочетания) допустимо подавать в рабочий объем 2 ДВС при сжатии топливно-окислительной смеси (в любой момент сжатия, в том числе и при приближении к верхней мертвой точке) рабочим органом 3. Любые из вышеперечисленных потоков (в любых сочетаниях) допустимо подавать в линию рециркуляции продуктов сгорания, а также в линию рециркуляции с подачей смеси через каталитический блок 5. Любые из вышеперечисленных потоков (в любых сочетаниях) допустимо подавать в рабочий объем 2 ДВС, частично заполненный продуктами сгорания. Как топливо, так и окислитель допустимо подавать в рабочий объем 2 ДВС при повышенном давлении. Все перечисленные варианты осуществления способа могут дополнительно использовать систему зажигания 4 топливно-окислительной смеси.

Предлагаемый способ был осуществлен на одноцилиндровом ДВС с рабочим объемом 1,36 л (типа КАМАЗ-740) при α > 0,8. Примеры осуществления предлагаемого способа приведены в таблице.

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к способу работы газового двигателя внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано в различных отраслях промышленности: в энергетике, в нефтяной и газовой промышленности, в сельском хозяйстве, на транспорте и др. Смесь газообразного топлива и окислителя подают в ДВС компрессионного типа с коэффициентом избытка окислителя более 0,8, сжимают рабочим органом (например, поршнем, ротором и т.д.) до самовоспламенения с образованием продуктов сгорания и совершением механической работы. В рабочий объем ДВС компрессионного типа можно подавать смесь газообразного топлива, окислителя, часть продуктов сгорания, воду или водяной пар, добавки, инициирующие процесс самовоспламенения горючей смеси и расширяющие пределы устойчивого сгорания. ДВС компрессионного типа может иметь также дополнительную систему зажигания горючей смеси (искровая, впрыск топлива и др.). Техническим результатом является обеспечение оптимального проведения процесса горения любых видов топлива в газовой и паровой фазе с повышением коэффициента полезного действия и мощности двигателя, снижение концентрации вредных выбросов, снижение тепловых и механических нагрузок двигателя. 19 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ работы газового двигателя внутреннего сгорания (ДВС), включающий подачу в рабочий объем ДВС смеси окислителя и топлива, ее сжатие, воспламенение и горение с образованием продуктов сгорания и совершением механической работы, отличающийся тем, что топливно-окислительную смесь сжимают до ее самовоспламенения при коэффициенте избытка окислителя α > 0,8. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в рабочий объем ДВС подают продукты сгорания. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в рабочий объем ДВС подают дозированное количество воды или водяного пара. 4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что в рабочий объем ДВС подают добавки. 5. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что в рабочий объем ДВС подают дополнительный поток топлива. 6. Способ по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что в рабочий объем ДВС подают дополнительный поток окислителя. 7. Способ по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что в рабочий объем ДВС подают дополнительный поток топливно-окислительной смеси. 8. Способ по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что рабочий объем ДВС перед подачей топливно-окислительной смеси частично заполняют продуктами сгорания. 9. Способ по п.2, отличающийся тем, что продукты сгорания подают в рабочий объем при сжатии топливно-окислительной смеси. 10. Способ по п.3, отличающийся тем, что дозированное количество воды или водяного пара подают в рабочий объем при сжатии топливно-окислительной смеси. 11. Способ по п.4, отличающийся тем, что добавки подают в рабочий объем при сжатии топливно-окислительной смеси. 12. Способ по п.5, отличающийся тем, что дополнительный поток топлива подают в рабочий объем при сжатии топливно-окислительной смеси. 13. Способ по п.6, отличающийся тем, что дополнительный поток окислителя подают в рабочий объем при сжатии топливно-окислительной смеси. 14. Способ по п.7, отличающийся тем, что дополнительный поток топливно-окислительной смеси подают в рабочий объем при сжатии топливно-окислительной смеси. 15. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что продукты сгорания подают в линию рециркуляции, в которые вводят окислитель и/или топливо. 16. Способ по п. 15, отличающийся тем, что в продукты сгорания вводят окислитель и/или топливо, и полученную смесь подают через каталитический блок в рабочий объем ДВС. 17. Способ по п. 15, отличающийся тем, что в продукты сгорания вводят окислитель и/или добавки, и полученную смесь подают через каталитический блок в рабочий объем ДВС. 18. Способ по любому из пп.1 - 17, отличающийся тем, что топливо подают в рабочий объем при повышенном давлении. 19. Способ по любому из пп.1 - 18, отличающийся тем, что окислитель подают в рабочий объем при повышенном давлении. 20. Способ по любому из пп.1 - 19, отличающийся тем, что дополнительно используют систему зажигания топливно-окислительной смеси.