СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2001 года по МПК F02B1/14 F02B47/04 

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к способу работы 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, а также при впрыске в камеры сгорания дизельного топлива (газодизель). 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, МПК F 02 В 33/38, 1985). 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 относительная высокая стоимость и токсичность метанола.

Известен способ работы ДВС компрессионного типа, который предусматривает использование моторных топлив и окислителя при коэффициенте избытка окислителя, близком к единице (см. заявку PCT WO 98/04817, МПК F 02 В 47/08, 1998). Во входную линию ДВС подается топливный заряд, который поступает в камеру сгорания цилиндра дизеля, а выхлопные газы выводятся из цилиндра через линию выхлопных газов. Часть топлива подается в топливный инжектор и распыляется в смесь окислителя и рециркуляционного выхлопного газа. Полученную смесь смешивают с топливным зарядом, вводимым в линию входного потока, который поступает в камеру сгорания цилиндра ДВС. Часть выхлопных газов ДВС поступает в линию рециркуляции. Для инициирования самовоспламенения дополнительный топливный заряд подается в линию рециркуляции, в которой последний парциально окисляется в горячих выхлопных газах, например, с использованием плазмохимических элементов. При подобной организации работы дизельного агрегата в качестве топливного заряда возможно использование как углеводородов дизельной, так и бензиновой фракций нефти.

Наиболее близким к настоящему изобретению является способ работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС), включающий подачу в рабочий объем двигателя внутреннего сгорания топливного заряда, его сжатие, воспламенение и горение с образованием продуктов сгорания и совершением механической работы, причем топливный заряд сжимают до его самовоспламенения при коэффициенте избытка окислителя α > 0,8 (см. патент Российской Федерации N 2095585, МПК P 02 B 17/00, 1997). Основным недостатком известных технических решений является то, что ДВС рассматриваемого типа могут работать только при присутствии в топливном заряде жидких моторных топлив. При этом для эффективной работы ДВС необходимы устройства для парциального окисления компонентов жидких моторных топлив, дополнительно вводимых в линию рециркуляции выхлопных газов. При этом остается все же достаточно высокое содержание в выхлопных газах концентрации оксидов углерода, азота и свободного углерода. Требуется их очистка, в частности, каталитическая.

Задачей изобретения является обеспечение оптимального проведения процесса горения (полноты сгорания) с повышением коэффициента полезного действия (КПД) и мощности двигателя, снижение концентрации вредных выбросов (NO_x, CO, CH, и т.д.) и снижение тепловых и механических нагрузок двигателя, что способствует улучшению его эксплуатационных характеристик.

Поставленная задача решается тем, что способ работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) включает подачу в рабочий объем двигателя внутреннего сгорания топливного заряда, его сжатие, воспламенение и горение с образованием продуктов сгорания и совершением механической работы, причем топливный заряд сжимают до его самовоспламенения при коэффициенте избытка окислителя α > 0,8, где α - мольное отношение фактически затраченного количества кислорода к стехиометрическому, при этом в топливный заряд входят в различных сочетаниях как по составу, так и по фазовому состоянию топливо(а), окислитель(и), и/или топливно-окислительные смеси и различные (любые) сочетания следующих компонентов - воды, водяного пара, добавок, продуктов сгорания.

В рабочий объем ДВС могут подавать дополнительные потоки топлив(а), и/или окислителя(ей), и/или топливного заряда.

Рабочий объем ДВС может быть частично заполнен продуктами сгорания и/или рабочий объем ДВС перед подачей топливного заряда частично заполняют продуктами сгорания.

В рабочий объем при сжатии топливного заряда могут подавать и/или продукты сгорания, и/или дозированное количество воды, и/или водяного пара, и/или добавки, и/или дополнительный поток топлива, и/или дополнительный поток окислителя, и /или дополнительный поток топливного заряда.

Продукты сгорания могут подавать в линию рециркуляции, в которые вводят и/или окислитель, и/или топливо, и/или добавки и могут подавать в рабочий объем через каталитический блок в рабочий объем ДВС как в режиме всасывания топливного заряда, так и в режиме сжатия топливного заряда.

Топливный заряд и/или окислитель могут подавать в рабочий объем при повышенном давлении, например при давлении, превышающем давление в цилиндре ДВС.

Дополнительно может быть использована системa(ы) зажигания топливного заряда.

Рабочие поверхности ДВС могут быть и/или изготовлены из материалов, и/или покрыты, и/или обработаны материалами, которые активизируют процесс самовоспламенения, окисления и способствуют этому процессу.

Топливный заряд может быть подогрет и подан в рабочий объем ДВС.

Дополнительный топливный заряд могут подогревать и подавать в рабочий объем при сжатии топливного заряда.

Можно и/или выбирать, и/или регулировать степень сжатия от 8 до 30, и/или выбирать, и/или регулировать фазы газораспределения.

Поставленная задача может быть решена и тем, что способ работы двигателя внутреннего сгорания включает подачу в рабочий объем топливного заряда, его сжатие, воспламенение и горение с образованием продуктов сгорания и совершением механической работы, при этом часть топливного заряда сжимают до самовоспламенения, одновременно и/или затем подают вторую часть топливного заряда с коэффициентом избытка окислителя α > 0,8, где α - мольное отношение фактически затраченного количества кислорода к стехиометрическому.

В рабочий объем ДВС могут подавать продукты сгорания, и/или дозированное количество воды, и/или водяного пара, и/или добавки, и/или дополнительный поток топлив(а), и/или дополнительный поток окислителя(ей), и/или дополнительный поток топливного заряда.

Рабочий объем ДВС может быть частично заполнен продуктами сгорания, и/или рабочий объем ДВС перед подачей топливного заряда частично заполняют продуктами сгорания.

В рабочий объем при сжатии топливного заряда могут подавать и/или продукты сгорания, и/или дозированное количество воды, и/или водяного пара, и/или добавки, и/или дополнительный поток топлива, и/или дополнительный поток окислителя, и/или дополнительный поток топливного заряда.

Продукты сгорания могут подавать в линию рециркуляции, в которую вводят и/или окислитель, и/или топливо, и/или топливный заряд.

В продукты сгорания могут вводить и/или окислитель, и/или топливо, и/или топливный заряд и полученную смесь подают через каталитический блок в рабочий объем ДВС.

Топливный заряд и/или окислитель могут подавать в рабочий объем при повышенном давлении, например при давлении, превышающем давление в цилиндре ДВС.

Дополнительно может быть использована системa(ы) зажигания топливного заряда.

Рабочие поверхности ДВС и/или могут быть изготовлены из материалов, и/или могут быть покрыты, и/или могут быть обработаны материалами, которые активизируют процесс самовоспламенения, окисления, и способствуют этому процессу.

Топливный заряд может быть подогрет и подан в рабочий объем.

Дополнительный топливный заряд может быть подогрет и подан в рабочий объем при сжатии топливного заряда.

И/или могут выбирать, и/или могут регулировать степень сжатия от 8 до 30, и/или могут выбирать, и/или регулировать фазы газораспределения.

Следует отметить, что особенностью заявленных вариантов способа является следующее. Любые из вышеперечисленных потоков допустимо подавать в рабочий объем ДВС при сжатии топливного заряда (в любой момент сжатия) и подогревать до необходимой температуры, при этом подаваемый топливный заряд может отличаться от топливного заряда, поданного в рабочий объем, как по составу, так и по фазовому состоянию.

Отличия предлагаемого способа от процесса в газодизеле.

1. В газодизеле дизельное топливо подается для поджига газового топлива, в то время как в предлагаемом изобретении, рабочая смесь окислителя и топлива (в газовой, паровой и жидких фазах) сжимаeтся до самовоспламенения, одновременно и/или затем в рабочий объем подается топливо. Топливо может быть в газовой, паровой и жидкой фазах, оно может соответствовать как по химическому составу, так и по фазе топливу, поданному перед сжатием, или отличаться от него.

2. Потоки могут подаваться в любых сочетаниях как по фазовому состоянию, так и по химическому составу, и подогреваться до необходимой температуры.

Любые из вышеперечисленных потоков допустимо подавать в линию рециркуляции с подачей смеси через каталитический блок в рабочий объем ДВС как в режиме всасывания топливного заряда, так и в режиме сжатия топливного заряда. Любые из вышеперечисленных потоков (в любых сочетаниях) допустимо подавать в рабочий объем ДВС, частично заполненный продуктами сгорания. Кроме того, как топливо, так и окислитель и другие вышеперечисленные потоки в любых сочетаниях (топливный заряд) допустимо подавать в рабочий объем ДВС при повышенном давлении и необходимой температуре. Все вышеперечисленные варианты осуществления способа могут дополнительно использовать систему(ы) зажигания. Важным элементом влияния на процесс являются выбор и регулирование степени сжатия, изменение степени сжатия от 8 до 30 позволяет расширить диапазон применяемых топлив, добавок, окислителей и других потоков, подаваемых в рабочий объем как в режиме всасывания, так и при сжатии топливного заряда, это важно как для первого варианта изобретения, так и для второго варианта. Также важным элементом изобретения является выбор и регулирование фаз газораспределения, что, в частности, позволяет изменять количество остаточных газов (вентиляция цилиндров и т.п.), наполняемость, температуру и давление выхлопных газов и т.д.

Сущностью настоящего изобретения является предложенный способ работы ДВС, который при сжатии топливного заряда при коэффициенте избытка окислителя α > 0,8 обеспечивает его самовоспламенение, устойчивую работу с высоким КПД и мощностью, т. е. реализуется ДВС компрессионного типа. Способ предусматривает также подачу в рабочий объем ДВС вышеприведенных дополнительных потоков в различных (любых) сочетаниях, их предварительный нагрев до необходимой температуры, подачу их при сжатии смеси в рабочем объеме, подачу их в линию рециркуляции, в линию рециркуляции через каталитический блок, подачу их в рабочий объем ДВС, частично заполненный продуктами сгорания, подачу потоков в различных (любых) сочетаниях при повышенном давлении, а также в сочетании с использованием систем(ы) зажигания и выбором (регулированием) степени сжатия.

Все вышеприведенные варианты реализации предложенных способов способствуют улучшению показателей работы ДВС.

В качестве топлив(а) в предлагаемом способе может использоваться любой вид топлива в газовой, жидкой и паровой фазах. В частности, может быть использовано топливо в газовой фазе на основе CH₄, C₂H₆, C₃H₈, н-, изо-C+H₁₀, H₂, CO, природного газа и прочие. Также допустимо использовать любое топливо, которое может быть в и/или газовой, и/или паровой, и/или жидкой фазе(ах) подано в рабочий объем ДВС, например, дизельное топливо, бензин, оксигенаты и их смеси, диметиловый эфир и т. д. Допустимо использовать также любые смеси и сочетания различных видов топлив. Впрыскиваемое в камеру сгорания при сжатии топливо может отличаться как по виду, так и по фазовому состоянию от поданного ранее в рабочий объем. Может подаваться смесь топлив.

В качестве окислителя в предлагаемом способе, в первую очередь, может использоваться и/или воздух и/или обогащенный кислородом воздух и/или кислород. Допустимо использование других окислителей, таких, как O₃, H₂O₂ и другие, как в сочетании с и/или воздухом, и/или обогащенным кислородом воздухом, и/или кислородом, так и индивидуально. Допустимо использовать также любые смеси и сочетания окислителей, которые могут быть поданы в рабочий объем ДВС. Окислитель, подаваемый при сжатии в рабочий объем, может отличаться как по химическому составу, так и по фазовому состоянию от поданного ранее в рабочий объем. Может подаваться смесь окислителей. Окислитель(и) при необходимости подогревают до необходимой температуры.

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: трет-бутиловый спирт, втор-бутиловый спирт, метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ), метил-трет-амиловый эфир (МТАЭ) этил-трет-бутиловый эфир (ЭТБЭ), этил-трет-амиловый эфир (ЭТАЭ), диизопропиловый эфир (ДИПЭ) и другие.

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

Органические пероксиды: бутилпероксид, ацетилпероксид, третбутилпероксиакрилат, а также гидропероксиды, производные органических пероксикислот и другие.

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

Способ осуществляется следующим образом (см. чертеж). В рабочий объем 1 ДВС подают окислитель и топливо (в газовой, паровой или жидкой фазах), например природный газ и/или диметиловый эфир и т.д. с коэффициентом избытка окислителя более 0,8. Далее поступившая в рабочий объем 1 смесь, в частности в цилиндр(ы) ДВС, сжимается рабочим органом 2, в частности поршнем, ротором и т. д., до самовоспламенения и горения с образованием продуктов сгорания и совершением механической работы.

Способ предусматривает также подачу в рабочий объем 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 рабочий объeм 1) потоков в любых сочетаниях и различных видов и фазовых состояний топлив(а), окислителя(ей) и их смесей. Причем перечисленные потоки допустимо подавать в любых сочетаниях и предварительно подогревать до необходимой температуры. При сжатии топливного заряда до самовоспламенения (в любой момент сжатия) рабочим органом 2 любые из вышеперечисленных потоков (и их сочетания) допустимо подавать в рабочий объeм 1 ДВС. Потоки могут подаваться в подогретом до необходимой температуры состоянии. 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 4. Любые из вышеперечисленных потоков (в любых сочетаниях) допустимо подавать в рабочий объeм 1 ДВС, частично заполненный продуктами сгорания. Топливо, окислитель и другие потоки (топливный заряд) в любых сочетаниях допустимо подавать в рабочий объeм 1 ДВС при повышенном давлении. Все перечисленные варианты осуществления способа могут дополнительно использовать систему(ы) зажигания 3 топливного заряда, выбор и регулирование как степени сжатия, так и фаз газораспределения.

Процесс окисления проводится в ДВС различных типов (поршневых, Ванкеля, газотурбинных и др. ) Рабочие поверхности, включая рабочий орган, изготавливают из материалов, покрывают и/или обрабатывают материалами, которые активизируют процесс самовоспламенения и окисления (способствуют этому процессу), в частности за счет снижения тепловых потерь, повышения температуры стенок рабочих поверхностей (цилиндра, корпуса и т.п., включая рабочий орган (поршень, ротор и т.п.)), нанесения каталитически активных материалов и/или изготовления из них рабочих поверхностей и т.д. К числу вышеперечисленных материалов можно и/или легкие сплавы, и/или легированный чугун, и/или нержавеющая сталь, и/или никель, и/или никелевые сплавы, и/или керамика, и/или керамические соединения, и/или композиционные материалы, и/или хромовые сплавы, и/или легированная сталь, и/или спеченные материалы и сплавы. Влияние на процесс самовоспламенения и окисления оказывают и/или конструктивные особенности, и/или элементы ДВС (размеры и тип камер сгорания, головок, корпусов, роторов, использование различных конструкций и систем подачи топливного заряда и т.п.).

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 двигателя внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано в различных отраслях промышленности. Первый вариант способа работы двигателя внутреннего сгорания включает подачу в рабочий объем ДВС топливного заряда, его сжатие, воспламенение и горение с образованием продуктов сгорания и совершением механической работы. Топливный заряд сжимают до его самовоспламенения при коэффициенте избытка окислителя α>0,8. В топливный заряд входят в различных сочетаниях как по составу, так и по фазовому состоянию топливо(а), окислитель(и), и/или топливно-окислительные смеси и различные (любые) сочетания следующих компонентов - воды, водяного пара, добавок, продуктов сгорания. В рабочий объем ДВС могут подавать дополнительные потоки топлив(а), и/или окислителя(ей), и/или топливного заряда. Раскрыт второй вариант способа. Технический результат заключается в обеспечении оптимального проведения процесса горения (полноты сгорания) с повышением коэффициента полезного действия и мощности двигателя, снижение концентрации вредных выбросов (NO_x, СО, СН, и т.д.) и снижение тепловых и механических нагрузок двигателя, что способствует улучшению его эксплуатационных характеристик. 2 с. и 21 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС), включающий подачу в рабочий объем двигателя внутреннего сгорания топливного заряда, его сжатие, воспламенение и горение с образованием продуктов сгорания и совершением механической работы, причем топливный заряд сжимают до его самовоспламенения при коэффициенте избытка окислителя α > 0,8 отличающийся тем, что в топливный заряд входят в различных сочетаниях как по составу, так и по фазовому состоянию топливо(а), окислитель(и), и/или топливно-окислительные смеси и различные (любые) сочетания следующих компонентов - воды, водяного пара, добавок, продуктов сгорания. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в рабочий объем ДВС подают дополнительные потоки топлив(а), и/или окислителя(ей), и/или топливного заряда. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что рабочий объем ДВС частично заполнен продуктами сгорания, и/или рабочий объем ДВС перед подачей топливного заряда частично заполняют продуктами сгорания. 4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что в рабочий объем при сжатии топливного заряда подают и/или продукты сгорания, и/или дозированное количество воды, и/или водяного пара, и/или добавки, и/или дополнительный поток топлива, и/или дополнительный поток окислителя, и/или дополнительный поток топливного заряда. 5. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что продукты сгорания подают в линию рециркуляции, в которые вводят и/или окислитель, и/или топливо, и/или добавки и подают в рабочий объем через каталитический блок в рабочий объем ДВС, как в режиме всасывания топливного заряда, так и в режиме сжатия топливного заряда. 6. Способ по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что топливный заряд, и/или окислитель подают в рабочий объем при повышенном давлении. 7. Способ по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что дополнительно используют систему(ы) зажигания топливного заряда. 8. Способ по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что рабочие поверхности ДВС, и/или изготавливают из материалов, и/или покрывают, и/или обрабатывают материалами, которые активизируют процесс самовоспламенения, окисления и способствуют этому процессу. 9. Способ по любому из пп.1 - 8, отличающийся тем, что топливный заряд подогревают и подают в рабочий объем. 10. Способ по любому из пп.2 - 9, отличающийся тем, что дополнительный топливный заряд подогревают и подают в рабочий объем при сжатии топливного заряда. 11. Способ по любому из пп.1 - 10, отличающийся тем, что и/или выбирают и/или регулируют степень сжатия от 8 до 30, и/или выбирают и/или регулируют фазы газораспределения. 12. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий подачу в рабочий объем топливного заряда, его сжатие, воспламенение и горение с образованием продуктов сгорания и совершением механической работы, отличающийся тем, что часть топливного заряда сжимают до самовоспламенения, одновременно и/или затем подают вторую часть топливного заряда с коэффициентом избытка окислителя α > 0,8. 13. Способ по п. 12, отличающийся тем, что в рабочий объем ДВС подают продукты сгорания, и/или дозированное количество воды, и/или водяного пара, и/или добавки, и/или дополнительный поток топлив(а), и/или дополнительный поток окислителя(ей), и/или дополнительный поток топливного заряда. 14. Способ по любому из п.12 или 13, отличающийся тем, что рабочий объем ДВС частично заполнен продуктами сгорания, и/или рабочий объем ДВС перед подачей топливного заряда, и/или частично заполняют продуктами сгорания. 15. Способ по любому из пп.12 - 14, отличающийся тем, что в рабочий объем при сжатии топливного заряда подают, и/или продукты сгорания, и/или дозированное количество воды, и/или водяного пара, и/или добавки и/или дополнительный поток топлива, и/или дополнительный поток окислителя, и/или дополнительный поток топливного заряда. 16. Способ по любому из пп. 12 - 15, отличающийся тем, что продукты сгорания подают в линию рециркуляции, в которые вводят, и/или окислитель, и/или топливо, и/или топливный заряд. 17. Способ по любому из пп.12 - 16, отличающийся тем, что в продукты сгорания вводят, и/или окислитель, и/или топливо, и/или топливный заряд и полученную смесь подают через каталитический блок в рабочий объем ДВС. 18. Способ по любому из пп.12 - 17, отличающийся тем, что топливный заряд, и/или окислитель подают в рабочий объем при повышенном давлении. 19. Способ по любому из пп.12 - 18, отличающийся тем, что дополнительно используют систему(ы) зажигания топливного заряда. 20. Способ по любому из пп.12 - 19, отличающийся тем, что рабочие поверхности ДВС, и/или изготавливают из материалов, и/или покрывают, и/или обрабатывают материалами, которые активизируют процесс самовоспламенения, окисления и способствуют этому процессу. 21. Способ по любому из пп.12 - 20, отличающийся тем, что топливный заряд подогревают и подают в рабочий объем. 22. Способ по любому из пп.13 - 21, отличающийся тем, что дополнительный топливный заряд подогревают и подают в рабочий объем при сжатии топливного заряда. 23. Способ по любому из пп.12 - 22, отличающийся тем, что и/или выбирают, и/или регулируют степень сжатия от 8 до 30, и/или выбирают, и/или регулируют фазы газораспределения.