СПОСОБ РАБОТЫ ДИЗЕЛЯ Российский патент 2005 года по МПК G01M15/00 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к способам работы дизельного двигателя.

Известны способы работы дизелей, при которых осуществляется утилизация тепловой энергии отработавших газов, применяемые на мощных (более 10000 кВт) судовых и стационарных дизелях [1, 2]. В данном случае теплота отработавших газов используется для получения водяного пара в парогенераторных установках. Энергия пара используется затем для привода электрических генераторов, отопления помещений и т.д. Системы, применяемые для утилизации отработавших газов, имеют большие габариты и массу, что исключает возможность их применения на мобильных наземных средствах, например, на автомобилях.

Известен способ работы автомобильного дизеля, основанный на использовании тепловой энергии отработавших газов для получения пара с последующей реализацией его энергии в утилизационном контуре, функционирующем по принципу цикла Ренкина (парогазовый цикл) [3].

К основным недостаткам подобных систем, которые сдерживают возможность их реализации, можно отнести большие габариты, конструктивную и технологическую сложность системы, реализующей способ утилизации теплоты отработавших газов, дополнительные эксплуатационные затраты на техническое обслуживание дизеля. Кроме того, способ работы дизеля, реализующий эту идею, предусматривает необходимость в использовании сложных систем управления и регулирования параметрами утилизационного контура.

В основу изобретения поставлена задача повышения эффективности работы дизеля, а также улучшение экологических его качеств за счет совокупного использования как теплового, так и химического компонентов энергетического потенциала отработавших газов дизеля.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе работы дизеля путем впуска в цилиндры воздуха, впрыскивания в цилиндры топлива, сжигания топлива, выпуска продуктов сгорания и преобразование энергии расширяющихся газов в возвратно-поступательное движение поршней между верхними и нижними точками, в термокаталитический реактор, размещенный в выпускной системе дизеля, подают углеводородное соединение с низкой температурой диссоциации, например, метанол, полученные в процессе эндотермического преобразования углеводородного соединения газообразные продукты направляют в цилиндры дизеля, где они сгорают вместе с дизельным топливом, а дополнительный разогрев термокаталитического реактора осуществляют за счет химической энергии содержащихся в отработавших газах продуктов неполного сгорания, при этом продукты неполного сгорания дизельного выпуска доокисляют в специальной каталитической камере реактора (аналог каталитического нейтрализатора отработавших газов), а выделенную теплоту используют в эндотермическом цикле конверсии углеводородного соединения.

В результате повышается эффективность работы дизеля за счет утилизации ранее безвозвратно теряемой энергии отработавших газов и повторного ее использования в рабочем цикле дизеля для совершения полезной дополнительной работы. Кроме того, происходит утилизация не только тепловой энергии отработавших газов, но и их химической энергии за счет дожигания продуктов неполного сгорания. Техническим результатом является повышение топливной экономичности и снижение токсичности отработавших газов дизеля.

На фиг.1 приведена схема работы дизеля, где 1 - термокаталитический реактор конверсии жидких углеводородных соединений, установленный в выпускной системе дизеля 2, и энергетических потоков, осуществляемых в дизеле.

Термокаталитический реактор конверсии метанола (или другого углеводородного соединения с низкой температурой диссоциации) устанавливается в выпускной системе дизеля и адаптируется по своим основным параметрам (производительности, площади теплообменной поверхности, объему катализатора и др.) с располагаемыми энергетическими и температурными возможностями выпускных газов данного дизеля.

Конвертированное топливо (газовая водородосодержащая смесь) подается в рабочее пространство дизеля через впускной трубопровод вместе с воздушным зарядом, где оно воспламеняется “запальной” порцией дизельного топлива и, сгорая, высвобождает накопленную в процессе его предварительного эндотермического преобразования энергию.

Оптимальное согласование законов подачи основного (дизельного) топлива и конвертированного может быть осуществлено экспериментальным путем.

Как видно из схемы фиг.1, суммарная теплота Q₁, введенная за цикл в дизели с дизельным и конвертированным топливами, соответствует:

где НTU

, НKU и НMU - теплоты сгорания дизельного топлива, конвертированного топлива (продуктов конверсии) и метанола соответственно;

G_T и G_M - цикловой расход дизельного топлива и метанола;

ΔНKU

G_M - дополнительное количество теплоты, введенное в цикл за счет термохимической регенерации и обусловленное разностью теплоты сгорания конвертированного топлива и метанола:

ΔНKU

G_M=(НKU-НMU)G_M.

Количество теплоты, регенерируемой в цикл дизеля, соответствует эндотермическому тепловому эффекту реакции диссоциации цикловой дозы метанола, для организации которой расходуется тепловая энергия внешнего источника - теплоносителя (отработавших газов).

Тепловая энергия отработавших газов, используемая для организации конверсионного процесса, определится как разность энтальпий газов на входе и выходе реактора:

где G_ОГ - цикловой расход отработавших газов через двигатель;

СОГР

- средняя в рассматриваемом интервале температур теплоемкость отработавших газов;

i’_ОГ и i’’_ОГ - температура отработавших газов на входе и выходе реактора.

Из совместного рассмотрения зависимости (1) и выражения (2) становится очевидным, что количество регенерируемой теплоты за цикл

(HKU

-НMU)G_M=4200 G_M, кДж/цикл

зависит от количества исходного углеводородного соединения, например, метанола, прошедшего стадию термохимического преобразования в термокаталитическом реакторе.

На фиг.2 приведено поле температур экспериментального реактора конверсии метанола, конструкция которого позволяет использовать не только тепловую энергию отработавших газов (греющего теплоносителя), но и химическую.

В данной конструкции дополнительный разогрев отработавших газов (теплоносителя) осуществляется за счет дожигания содержащихся в них энергоемких (токсичных) продуктов неполного сгорания (СО, СН) благодаря применению окислительной каталитической среды.

Для этой цели в общем корпусе аппарата конструктивно объединены реактор конверсии метанола и каталитический нейтрализатор отработавших газов. Организация экзотермического (с выделением теплоты) процесса доокисления в секции каталитического нейтрализатора продуктов неполного сгорания, содержащихся в отработавших газах, позволяет не только утилизировать нереализованную в процессе сгорания в ДВС химическую энергию топлива, но и совершенствовать экологические качества двигателя.

Расчетная величина дополнительного теплового эффекта в этом случае определялась как:

где Н_ui, m_i - теплота сгорания и массовое содержание в отработавших газах i-го компонента неполного сгорания топлива соответственно;

G_B, G_M, G_T - массовый расход через двигатель воздуха, метанола и дизельного топлива соответственно.

Процесс преобразования (конверсии) исходного жидкого углеводородного соединения, например, метанола осуществляется на основе эндотермических реакций, то есть с поглощением теплоты, отбираемой от отработавших газов дизеля. Поэтому, согласно закону Гесса, продукты конверсии имеют более высокую теплоту сгорания по сравнению с теплотой сгорания жидкого исходного углеводородного соединения, например, метанола.

Таким образом, часть энергии отработавших газов дизеля идет на повышение теплотворной способности продуктов конверсии, которые при сгорании в дизеле высвобождают эту энергию для совершения полезной работы.

Предварительная энергетическая оценка эффекта термохимической регенерации (утилизации) теплоты отработавших газов дизеля, работающего совместно с реактором конверсии углеводородного соединения, например, метанола, достаточно просто может быть установлена на основе сравнения величины теплоты сгорания исходного жидкого углеводородного соединения, например, метанола и газообразных продуктов его диссоциации. Например, для метанола теплота сгорания равна 19670 кДж/кг. Продуктами сухой конверсии метанола являются Н₂ и СО, содержащиеся в конверсионной смеси в соотношении 65 об.% (12,5% по массе) и 35 об.% (87,5% по массе) соответственно. Теплота сгорания данной двухкомпонентной газовой смеси равна 23870 кДж/кг.

Таким образом, при сгорании в дизеле 1 кг продуктов конверсии метанола, полученных из такой же массы жидкого метанола, высвобождается дополнительно тепловая энергия, накопленная в процессе разложения спиртового топлива, равная Н_u(пкм)-Н_u(м)=4200 кДж/кг, то есть более 20% энергии отработавших газов, используемой на эндотермическую реакцию конверсии метанола, возвращается в рабочий цикл дизеля.

Термохимическая сущность процесса регенерирования энергии отработавших газов дизеля отражает основные положения термодинамики, в частности, закон Гесса и его следствия.

Из рассмотренного выше следует, что предварительное разложение жидких углеводородов, например, метанола для питания дизеля позволяет повысить эффективность работы дизеля за счет регенерации отходящей с отработавшими газами энергии. В этом случае рабочий процесс дизеля реализуется на основе регенеративного термодинамического цикла.

Таблица 1
Показатели эффективности процесса конверсии метанола для различных нагрузочных режимов работы дизеля 1Ч8, 5/7Режим работы двигателяТемпература в точках замера,°С (фиг.2)Состав синтез-газа, %Расход метанола, л/чn, мин^-1N_e, кВтТ₁Т₂Т₃Т₄Т₅Т₆Н₂СОСО₂Остаток СН₃ОН30001,42526024524023018024,930,12,642,40,230003,22828025534532026053,131,16,95,90,230005,73032027058055539560,038,10,41,50,2

Источники информации

1. Селиверстов В.М. Утилизация тепла в судовых дизельных установках. Л.: Судостроение, 1973. - 256 с.

2. Кокурошников М.М. Судовые утилизационные установки. - М.: Речной транспорт, 1989. - 172 с.

3. Шейпак А.А., Балдин В.П. Утилизационные паровые турбины автотракторных двигателей внутреннего сгорания // Автомобильная промышленность. - 1985. - №12. - С.12-14.

Авторские свидетельства по приоритетности идеи утилизации тепловой энергии выпускных (отработавших) газов двигателей внутреннего сгорания - аналоги:

1. А.с. 1129399 (СССР) Силовая установка / Завод-втуз при ЗИЛе и НИКТИД. - Авторы изобрет.: А.А.Шейпак, Н.Г.Хохлов, В.П.Балдин и др. Заявл. 28.01.83; №3579507/25-06. Опубл. в Б.И. №46, 1984.

2. А.с. 1267030 (СССР). Силовая установка / Завод-втуз при ЗИЛе и НИКТИД. - Авторы изобрет.: А.А.Шейпак, Н.Г.Хохлов, В.П.Балдин и др. Заявл. 13.06.84; №3751050/25-06. Опубл. в Б.И. №40, 1986.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к способам работы дизельного двигателя. Изобретение позволяет повысить эффективность работы дизеля, а также улучшить его экологические качества за счет совокупного использования как теплового, так и химического компонентов энергетического потенциала отработавших газов дизеля. Способ работы дизеля включает впуск в цилиндры воздуха, впрыскивание в цилиндры топлива, сжигание топлива, выпуск продуктов сгорания и преобразование энергии расширяющихся газов в возвратно-поступательное движение поршней между верхними и нижними точками, утилизацию теплоты отработавших газов. Утилизацию теплоты отработавших газов осуществляют в термокаталитическом реакторе, размещенном в выпускной системе дизеля, в который подают углеводородное соединение с низкой температурой диссоциации, например, метанол. Полученное конвертируемое топливо направляют в цилиндры дизеля, где оно сгорает вместе с дизельным топливом, а дополнительный разогрев отработавших газов осуществляют за счет дожигания содержащихся в них продуктов неполного сгорания. Продукты неполного сгорания дизельного выпуска доокисляют в каталитической камере реактора, а выделенную теплоту используют в эндотермическом цикле конверсии углеводородного соединения. 1 табл., 2 ил.

Способ работы дизеля путем впуска в цилиндры воздуха, впрыскивания в цилиндры топлива, сжигания топлива, выпуска продуктов сгорания и преобразования энергии расширяющихся газов в возвратно-поступательное движение поршней между верхними и нижними точками, утилизации теплоты отработавших газов, отличающийся тем, что утилизацию теплоты отработавших газов осуществляют в термокаталитическом реакторе, размещенном в выпускной системе дизеля, в который подают углеводородное соединение с низкой температурой диссоциации, например, метанол, полученное конвертируемое топливо направляют в цилиндры дизеля, где оно сгорает вместе с дизельным топливом, а дополнительный разогрев отработавших газов осуществляют за счет дожигания содержащихся в них продуктов неполного сгорания, при этом продукты неполного сгорания дизельного выпуска доокисляют в каталитической камере реактора, а выделенную теплоту используют в эндотермическом цикле конверсии углеводородного соединения.