СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2001 года по МПК F02B3/12 

Изобретение относится к области двигателестроения и технологии переработки углеводородного сырья.

Известно, что при использовании в двигателях внутреннего сгорания с высокой температурой самовоспламенения, например, газообразных смесей на основе метана, для их воспламенения применяется внешний подвод энергии.

Известны способы принудительного воспламенения смеси: искровой и от запальной дозы легковоспламеняемого топлива, например, дизельного. По первому способу работают газовые моторы, по второму - газодизели. При этом с ростом количества смеси в цилиндре, определяемого, при прочих равных условиях, давлением, требуемая энергия воспламенения возрастает. В случае искрового зажигания это требует повышения ресурса свечи, что является узким местом в осуществлении данного способа. Сегодня разрабатываются новые виды источников внешней энергии, которые призваны заменить традиционные - это лазерные, плазменные, плазмохимические и др. В качестве запальной дозы легковоспламеняемого топлива, с целью замены дизтоплива в газодизелях, применяют специальные химические инициаторы горения (см., например, Ю.Н. Васильев, Л.С. Золотаревский, С.И. Ксенофонтов. Газовые и газодизельные двигатели. М.: ВНИИгазпром, 1992, с. 102-105).

Известны способы работы двигателя внутреннего сгорания, в которых температура самовоспламенения топлива в конце сжатия обеспечивается за счет повышения температуры свежего заряда (воздуха или смеси), поступающего в цилиндры в момент наполнения, путем его предварительного подогрева (см., например, RU, патент N 2096313, кл. С 01 В 3/36, 1996. "Способ получения синтез-газа"). Так, в упомянутом способе получения синтез-газа на основе конверсии метана воспламенение газовоздушной смеси обеспечивается за счет ее предварительного подогрева во внешнем теплообменнике до температуры 200 - 450^oC.

Данный способ по технической сущности является наиболее близким к заявленному и выбирается в качестве прототипа.

Способ-прототип имеет существенный недостаток, заключающийся в нагреве впускного коллектора (ресивера блока цилиндров), в связи с чем необходимо вводить конструктивные мероприятия по его теплоизоляции.

В изобретении ставятся задачи упрощения способа работы и упрощение конструкции двигателя внутреннего сгорания.

Эти задачи решены в способе работы двигателя внутреннего сгорания, использующего топливо с высокой температурой воспламенения, в связи с чем требующего внешнего подвода энергии для его воспламенения, в котором энергию, необходимую для самовоспламенения топлива в конце сжатия смеси в цилиндре, получают от остаточных газов, количество которых подбирают путем прекращения вывода отработавших газов из цилиндра в процессе их принудительного выталкивания, а воздух или смесь подают в цилиндр в момент, когда исключено попадание остаточных газов в ресивер в опасных количествах, при этом в случае необходимости уменьшение количества воздуха (смеси) в цилиндре компенсируют повышением давления наддува.

Отличие предложенного способа заключается в том, что энергию, необходимую для самовоспламенения топлива в конце сжатия смеси в цилиндре, получают от остаточных газов, количество которых подбирают путем прекращения вывода отработавших газов из цилиндра в процессе их принудительного выталкивания, а воздух или смесь подают в цилиндр в момент, когда исключено попадание остаточных газов в ресивер в опасных количествах, при этом в случае необходимости уменьшение количества воздуха (смеси) в цилиндре компенсируют повышением давления наддува.

Первый вариант предложенного способа отличается тем, что в зависимости от назначения двигателя и режимов его работы фазы газораспределения выполняют регулируемыми. Второй вариант отличается тем, что его применяют в двигателях, работающих на любых видах топлива с целью снижения вредных выбросов (прежде всего NOx). Третий вариант способа отличается тем, что его применяют для газового двигателя с искровым зажиганием на малых нагрузках и холостом ходу с целью дополнительного подвода энергии и обогащения смеси, что исключает применение дополнительных конструктивных мероприятий, например, форкамеры.

Сущность данного изобретения заключается в том, что температуру, необходимую для самовоспламенения топлива в конце такта сжатия, получают за счет нагрева свежего заряда при поступлении в цилиндр от остаточных газов, количество которых подбирают в зависимости от режимов эксплуатации. Необходимое количество остаточных газов обеспечивают за счет прекращения их вывода из цилиндра при принудительном выталкивании: в четырехтактном двигателе - при движении поршня к ВМТ на такте выпуска; в двухтактном двигателе - продувочным воздухом в процессе газообмена.

Например, для четырехтактного двигателя необходимое количество остаточных газов в цилиндре достигают за счет изменения фаз газораспределения: конец закрытия выпускного клапана устанавливают в диапазоне 60^o п.к.в. до ВМТ - 20^o п.к.в. за ВМТ, когда количество остаточных газов значительно и они обладают высокой тепловой энергией (энтальпией); начало открытия впускного клапана в момент, когда исключено попадание (заброс) в опасных (с точки зрения поджига топливного заряда) количествах остаточных газов в ресивер, например, в моменты от 10^o п.к.в. до ВМТ до 50^o п.к.в. за ВМТ. Значения фаз зависят от необходимого количества остаточных газов и мгновенного соотношения эффективного проходного сечения клапанов и описываемого поршнем объема цилиндра.

Необходимая для самовоспламенения топлива температура смеси в конце такта сжатия может достигаться также подбором следующих параметров: степени сжатия в цилиндре, степени предварительного охлаждения (подогрева) воздуха или смеси перед подачей в ресивер и коэффициента остаточных газов в зависимости от режима работы двигателя и состава смеси. Для обеспечения работы двигателя в широком диапазоне режимов фазы газораспределения могут выполняться регулируемыми.

Увеличением количества инертных остаточных газов снижают максимальную температуру цикла и за счет этого уменьшают выделение окислов азота в выпускных газах двигателей, работающих на любых видах топлива. Обогащением смеси до α = 0,36 - 0,45 и получением температуры в цилиндре 1300 - 2300^oC на период 10^-2- 10^-3 с при частоте вращения коленчатого вала, превышающей 350 мин^-1 обеспечивают работу двигателя в режиме генератора синтез-газа.

Предлагаемый способ, например, в отличие от известного способа рециркуляции, когда выпускные газы возвращают на вход в дизель, при прочих равных условиях, не требует очистки газов (исключает закоксовывание впускного тракта двигателя и прежде всего холодильника наддувочного воздуха при его наличии) и обладает большей энергоемкостью остаточных газов.

Потеря доли свежего заряда в цилиндре, вызванная увеличением количества остаточных газов, при необходимости компенсируется повышением давления наддува.

Пример работы двигателя типа Д49 (ЧН26/26) по данному способу иллюстрируется приведенными фиг. 1 и 2.

На фиг.1 приведены зависимости изменения количества остаточных газов γ_r и величины заброса газов во впускной коллектор (ресивер) γ_zk в зависимости от угла начала открытия впускных клапанов ϕ_н.вп и двух значений угла конца закрытия выпускных клапанов ϕ_к.вып. : 1 - 335^o угла п.к.в., 2 - 345^o угла п. к.в.

На фиг. 2 приведены зависимости температуры смеси в конце такта сжатия Т_с в цилиндре двигателя ЧН 26/26 от угла начала открытия впускных клапанов ϕ_н.вп.
Результаты расчета, полученные численным моделированием рабочего процесса, показывают, что нагрев свежего заряда от остаточных газов обеспечивает температуру смеси в конце такта сжатия на уровне, достаточном для самовоспламенения топлива с высокой температурой самовоспламенения. Например, для метана температура в конце такта сжатия Т_с= 1200-1300К. При расчете было принято, что предварительный подогрев смеси на входе в цилиндр не производится.

Из условия сохранения количества свежего заряда в цилиндре давление наддува повышалось. По этой причине растет плотность заряда и при более раннем открытии впускных клапанов температура конца сжатия Т_с также повышается. Однако при изменении фазы начала впуска в сторону опережения увеличивается доля остаточных газов γ_zk, забрасываемых во впускной ресивер, и возрастает опасность поджига топливного заряда в ресивере.

Из опыта работы газодизельных двигателей (например, 12ЧН26/26 на станциях ПЭ-6) известно, что величина заброса газов в ресивер до 5% от начального заряда в цилиндре не приводит к нарушениям нормальной работы дизеля или к появлению вспышек газа в ресивере. Если принять указанную величину в 5% допустимой, а также учитывая, что температура газов резко снижается при дросселировании в щели впускного органа, то для работы двигателя по предлагаемому способу наилучшими будут следующие фазы газораспределения:
конец закрытия выпускных клапанов 25 град. п.к.в. до ВМТ;
начало открытия впускных клапанов 15 град. п.к.в. за ВМТ.

При этом доля остаточных газов в цилиндре (коэффициент остаточных газов γ_r) составляет 0,14-0,18 от объема смеси. На фиг.1 и 2 также видно, что при опережении закрытия выпускного клапана эффективность внутреннего подвода энергии возрастает.

Изобретение относится к двигателестроению. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, использующего топливо с высокой температурой самовоспламенения, отличается тем, что энергию, необходимую для самовоспламенения топлива в конце сжатия смеси в цилиндре, получают от остаточных газов. Изобретение обеспечивает упрощение работы и конструкции двигателя. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, использующего топливо с высокой температурой воспламенения, в связи с чем требующего внешнего подвода энергии для его воспламенения, отличающийся тем, что энергию, необходимую для самовоспламенения топлива в конце сжатия смеси в цилиндре, получают от остаточных газов, количество которых подбирают путем прекращения вывода отработавших газов из цилиндра в процессе их принудительного выталкивания, а воздух или смесь подают в цилиндр в момент, когда исключено попадание остаточных газов в ресивер в опасных количествах, при этом в случае необходимости уменьшение количества воздуха (смеси) в цилиндре компенсируют повышением давления наддува. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в зависимости от назначения двигателя и режимов его работы фазы газораспределения выполняют регулируемыми. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что его применяют в двигателях, работающих на любых видах топлива с целью снижения вредных выбросов (прежде всего Nox). 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что его применяют для газового двигателя с искровым зажиганием на малых нагрузках и холостом ходу с целью дополнительного подвода энергии и обогащения смеси, что исключает применение дополнительных конструктивных мероприятий, например, форкамеры.