СПОСОБ АВАРИЙНОГО ПУСКА ДИЗЕЛЯ Российский патент 2001 года по МПК F02N9/00 

Изобретение относится к дизелям средней и большой мощности.

Известна система пуска дизеля, содержащая источник газа и устройство подачи его в цилиндры [1].

Изобретение решает задачу цилиндрового пуска дизеля от компактного источника сжатого газа с заданным расходом и давлением. Ожидаемый технический результат от использования изобретения - уменьшение массы и габаритов системы пуска, облегчение пуска из холодного состояния и обеспечение надежности полностью автономного пуска дизеля в аварийной ситуации (полное отсутствие какой-либо энергии на объекте: обесточивание, утечка воздуха из штатной системы пуска и т.п.).

Предлагаемая система аварийного пуска дизеля, содержащая источник газа и устройство подачи его в цилиндры двигателя, выполненный в виде емкости, заполненной жидким реагентом с бездетонационной экзотермичной реакцией разложения, снабженной устройством для регулирования подачи реагента и средством инициирования реакции разложения его [2], отличается тем, что, вводится дополнительная емкость, заполненная жидким реагентом, что обеспечивает регулирование темпа подачи реагента из основной емкости.

Как и в прототипе [2] в качестве реагентов используются, например, окись этилена, пероксид водорода, гидразин или их растворы. Инициирование реакции разложения в дополнительной емкости в дефлаграционном (недетонационном) режиме осуществляется с помощью катализатора. Основным требованием для таких катализаторов является обеспечение разложения реагента при заданной температуре (холодный пуск) со скоростью, обеспечивающей успешный запуск дизеля. В настоящее время промышленностью освоен большой спектр различных катализаторов, отличающихся своей активностью. В частности, таким требованиям отвечают катализатор типа SHELL-405 для гидразина и его растворов (наш отечественный аналог К-201), катализаторы на основе окиси меди и марганца (например, катализатор типа К-83) - для пероксида водорода. Предложенный в прототипе [2] метод регулировки подачи реагента с помощью плунжерного насоса в аварийной ситуации (ручной привод) даже для дизеля мощностью ~ 100 кВт физически не выполним. В нашем случае предлагается регулирование темпа нарастания давления в основной емкости, а следовательно, давления и скорости подачи реагента из нее, осуществлять изменением массовой скорости разложения реагента во вспомогательной емкости путем подбора соответствующего катализатора (его активности, массы), концентрации реагента во вспомогательной емкости, а также размерами зеркала в ней. Кроме того, в этом случае возникает возможность использовать во вспомогательной емкости реагент, отличный от основного.

Принципиальная схема системы аварийного пуска дизеля изображена на чертеже.

В основной емкости с реагентом 1 помещается вспомогательная емкость 2 с реагентом выбранной концентрации. Катализатор 3 размещается в устройстве 4, обеспечивающем контакт катализатора с реагентом во вспомогательной емкости. Основная емкость трубопроводами через узел с разрывной мембраной 5 соединяется с каталитическим пакетом 6, с газораспределительным механизмом 7, установленным на дизеле 8. Система работает следующим образом. В аварийной ситуации оператор с помощью устройства 4 вводит в контакт катализатор с поверхностью реагента во вспомогательной емкости 2. Вследствие протекания экзотермичной бездетонационной реакции разложения реагента с явно выраженным Махе-эффектом [3] во вспомогательной емкости образуется соответствующее количество парогаза, которое создает давление в основной емкости. По достижении расчетного давления прорывается мембрана и реагент из основной емкости поступает в каталитический пакет, где и разлагается с образованием парогаза. Парогаз через газораспределитель поступает к цилиндрам дизеля, создавая необходимое усилие для вращения его с заданной скоростью. Применение этого же принципа-самонаддува (сравнительные испытания проводились на модельной системе с использованием в качестве источника рабочего тела пероксида водорода, дизель имитировался диаметром критического сечения) только с одной основной емкостью исключало возможность регулирования темпа набора давления путем изменения концентрации и типа реагента, площади зеркала его во вспомогательной емкости. Влияние концентрации реагента на темп нарастания давления и скорость подачи его, следовательно, и продуктов разложения в цилиндры двигателя однозначно: чем больше концентрация, тем больше темп и наоборот. Это же можно сказать об активности катализатора и массе его [4]. Изменение площади "зеркала" реагента по мере его разложения по определенному закону, например выполнение вспомогательной емкости в виде конуса таким же образом нивелирует Махе-эффект, т. е. влияет на массовую скорость разложения соответствующим образом: чем меньше угол раскрытия конуса, тем меньше темп нарастания давления в основной емкости и наоборот. Экспериментами установлено: угол конуса не должен быть меньше 450 и больше 120^o. Применение в качестве источника рабочего тела для пуска дизеля вместо пероксида водорода других компонентов определяется их физико-химическими свойствами, термодинамическими параметрами продуктов разложения и конкретными условиями эксплуатации. Например, там, где на первое место после надежности пуска становится готовность к работе в течение длительного промежутка времени (более года), где массо-габаритные требования жесткие, там предпочтение следует отдать системе на гидразине (гарантийный срок хранения и энергетические параметры наивысшие из рассмотренных компонентов). Там же, где экологическая ситуация является главной (метро, туннели, замкнутые пространства и т.п.) использование пероксида водорода не вызывает сомнения. При рассмотрении экономической стороны вопроса необходимо учесть следующее. Для дизелей мощностью до 500 кВт основной вклад в стоимость системы приходится на каталитический пакет. Стоимость катализатора К-83 (штатного для пероксида водорода) в десятки раз меньше стоимости штатного для гидразина катализатора К-201. Однако система на пероксиде водорода сугубо одноразовая из-за разрушения катализатора К-83, тогда как система на гидразине допускает многократное использование катализатора К-201, а после заправки и смены разрывной мембраны она опять готова к работе. Следует отметить, что десятки натурных испытаний на дизеле К-731 как с холодного состояния, так и с горячего подтвердили экологичность, высокую надежность, простоту и компактность предлагаемой системы аварийного пуска (~ в 1500 - 2000 раз легче штатной). Для запуска этого дизеля с холодного состояния требуется ~ 120 г пероксида водорода ( ~ 100 г концентрации 92 - 95% и ~ 20 г концентрации 80 - 85% во вспомогательной емкости с углом конуса 90^o). Длительность процесса запуска (от осуществления оператором контакта катализатора с реагентом во вспомогательной емкости до набора оборотов дизеля) составляет 2 - 5 с.

Возможность осуществления изобретения подтверждается как натурными испытаниями на реальных дизелях, так и тем, что все элементы предлагаемых систем пуска освоены и выпускаются отечественной промышленностью без ограничений.

Из-за обилия вариантов регулирования ниже приводятся лишь два из них, причем один из них проведен на модельной установке (обладающей большей информативностью), где дизель заменен соплом, с соответствующим диаметром критического сечения, а другой - на дизеле К-731 (результат осреднения более чем 10 пусков). Рассмотрена система пуска дизеля с использованием пероксида водорода в качестве источника рабочего тела. Такой выбор был обусловлен конкретными условиями: замкнутое стендовое хозяйство (требования экологии), большей доступностью катализатора К-83 и пероксида водорода для разработчика.

ПРИМЕР 1
Параметры системы пуска: масса пероксида водорода в основной емкости 115.0 г концентрации 96.0%; во вспомогательную емкость, выполненную в виде конуса с углом ~ 60 залито 26.8 г пероксида водорода концентрации 80.0%; масса катализатора типа К-83 в каталитическом пакете 40.5 г; внутренний диаметр каталитического пакета 30.0 мм; диаметр критического сечения сопла каталитического пакета - имитатора дизеля 1.8 мм; масса катализатора на основе окислов кобальта - инициатора разложения пероксида водорода во вспомогательной емкости 1.4 г. Получены следующие параметры процесса: время от контакта катализатора (во вспомогательной емкости) до разрыва мембраны составило 7.15 с, время достижения максимального давления в камере каталитического пакета 1.65 с, длительность работы каталитического пакета при давлении в камере ~ 3.03 МПа не превышала 4.85 с, импульс последействия 6.65 с, максимальное давление в основной емкости 5.9 МПа, максимальная температура парогаза на выходе из каталитического пакета 470^oC, температура пероксида водорода в основной емкости не более 20^oC, полнота процесса 0.78.

ПРИМЕР 2
Параметры системы пуска: дизель К-731; масса пероксида водорода концентрации 95.0%, в основной емкости 120.0 г; масса пероксида водорода концентрации 82.5% во вспомогательной емкости (с углом конуса 90^o) 20.0 г; масса катализатора-инициатора разложения на основе окислов кобальта во вспомогательной емкости 1.2 г; масса каталитического пакета, загруженного катализатором типа К-83, с внутренним диаметром корпуса 30 мм - 327 г (из них катализатора 67 г); масса всей сборки (включая трубопроводы от емкости к газораспределительному механизму) не превышала 1.5 кг. После осуществления оператором контакта катализатора с реагентом во вспомогательной емкости дизель набрал необходимые обороты в течение 2 - 5 с.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Двигатели внутреннего сгорания. Системы поршневых и комбинированных двигателей/ под ред. А.С. Орлина, М.Г.Круглова. - М.: Машиностроение, 1985. - 456 с.

2. Патент России N 2046987, приоритет от 28.04.1992 г. В.Г.Лабейш, О.Н. Кирсанов.

3. Я. Б. Зельдович, Г.И. Баренблат, В.Б. Либрович, Г.М. Махвиладзе. Математическая теория горения. - М.: Наука, 1980. - 478 с.

4. И.И. Иоффе, Л.М. Письмен. Инженерная химия гетерогенного катализа. - Л.: Химия, 1972. - 462 с.

Изобретение относится к энергетике, а именно к способам пуска дизелей. Способ осуществления следующим образом: в цилиндры двигателя под давлением подают парогаз, получаемый разложением на каталитическом пакете жидкого реагента, например пероксида водорода, заправленного в основную емкость. Подачу жидкого реагента осуществляют путем проведения реакции разложения во вспомогательной емкости, размещенной внутри основной емкости и снабженной устройством инициирования реакции, а темп подачи реагента к каталитическому пакету и далее к цилиндрам дизеля регулируют путем изменения скорости разложения реагента во вспомогательной емкости за счет совместного подбора типа и концентрации реагента во вспомогательной емкости, массы и типа катализатора, а также размер зеркала поверхности реагента во вспомогательной емкости. Предлагаемый способ обеспечивает надежность запуска, компактность, простоту в обращении, полную автономность и высокую степень регулируемости процесса. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ аварийного пуска дизеля путем подачи в его цилиндры парогаза, получаемого разложением на каталитическом пакете жидкого реагента с бездетонационной реакцией разложения, например пероксида водорода, гидразина, окиси этилена и т.п., заправленного в основную емкость, отличающийся тем, что подачу жидкого реагента к каталитическому пакету осуществляют путем проведения реакции разложения во вспомогательной емкости, снабженной устройством инициирования реакции, а темп подачи реагента к каталитическому пакету и далее к цилиндрам дизеля регулируют изменением скорости разложения реагента во вспомогательной емкости, размещенной внутри основной, причем регулирование осуществляют путем совместного подбора типа и концентрации реагента во вспомогательной емкости, массы и типа катализатора, а также размера зеркала поверхности реагента во вспомогательной емкости. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что концентрацию реагента во вспомогательной емкости подбирают меньшей концентрации реагента в основной емкости, массу катализатора в устройстве инициирования - меньшей массы катализатора в каталитическом пакете, а площадь зеркала во вспомогательной емкости - переменной в направлении основной емкости. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что устройство инициирования реакции выполняют в виде механизма, исключающего несанкционированный контакт катализатора с жидким реагентом и его парами во вспомогательной емкости.