СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ПОНИЖЕННЫМ ВЫБРОСОМ ТОКСИЧНЫХ ГАЗОВ Российский патент 2015 года по МПК F02B47/02 F02M25/22 C08J7/00 

Настоящее изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания и может применяться при эксплуатации тракторных, автомобильных, комбайновых, судовых и тепловозных двигателей с воспламенением топливо-воздушной смеси от создающейся в камере сгорания при сжатии впускного воздуха высокой температуры и от искры системы зажигания, при эксплуатации двигателей дорожно-строительных машин, привода генераторов тока, компрессоров, буровых установок и других стационарных и передвижных потребителей механической энергии.

Одним из перспективных направлений снижения токсичности выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания является насыщение продуктов сгорания двигателя водяным паром.

Известна испарительная насадка регулярной структуры для уменьшения выброса вредных веществ с отработавшими газами тракторного дизеля путем увлажнения воздушного заряда и подачи пара в его впускной воздушный тракт (Трелина К.В. Испарительное увлажнение воздушного заряда двигателей сельскохозяйственной техники для уменьшения выбросов оксидов азота (на примере двигателя Д-120 (Д-21). Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.20.01. Технологии и средства механизации сельского хозяйства. М. ГОСНИТИ, 2007). Устройство включает корпус с впускным и выпускным патрубками, пакет увлажняющих пластин, смонтированных в корпусе с зазорами и установленных нижними концами в воду, залитую в корпус. Выпускной патрубок устройства соединен со впускным патрубком двигателя внутреннего сгорания. При работе двигатель всасывает увлажненный пластинами воздух, благодаря чему происходит снижение температуры процесса сгорания с одновременным увеличением полноты сгорания топлива и уменьшение выброса вредных газов. Недостатком испарительной насадки является отсутствие для различных режимов работы дизеля оптимизации отношения между величинами подаваемых в двигатель влаги и топлива, что не позволяет существенно уменьшать выбросы вредных веществ как в режиме максимального крутящего момента, так и при полной мощности двигателя. Насадку также невозможно использовать в холодное время года.

Известен способ повышения топливной экономичности и уменьшения содержания вредных веществ в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания подачей пара во впускной воздушный тракт двигателей испарительными устройствами с испарением воды выхлопными газами двигателя, реализованный в патенте США №5794601, МПК F02M 31/02 18.08.1998. В способе по патенту США №5794601, «альтернативное» топливо смешивают с выхлопными газами, испаряют в реакторе за счет подогрева выхлопными газами и подают подготовленную смесь на вход двигателя внутреннего сгорания. В качестве альтернативного топлива используют нетрадиционные топлива в том числе с добавкой некоторого количества воды.

Известен способ питания двигателя внутреннего сгорания, в соответствии с которым воду нагревают, используя тепло выхлопных газов, и смешивают нагретую воду с топливом в струйном насосе, получая дисперсную смесь топлива с водой, и подают дисперсную смесь в основной поток через газодинамический акустический излучатель, получая высокодисперсную смесь воздуха топлива и водяной добавки, обеспечивающую высокую эффективность снижения токсичности выхлопных газов на всех режимах работы ДВС (патент РФ на изобретение №2136492, МПК F02M 25/032).

Во всех способах работы ДВС с добавкой воды существует проблема усиления коррозии и возможность водородного охрупчивания, так как в смеси водяных паров с топливом всегда присутствуют ионы водорода. Проблема усиления эрозии и водородного охрупчивания может иметь место и в цилиндрах двигателя. Эта проблема становится более актуальной, если учесть, что в продуктах сгорания всегда присутствует некоторое количество свободного углерода и моноокись углерода, которые при повышенных температурах взаимодействуют в водяными парами с образованием ионов водорода. При этом следует учитывать, что в процессе эксплуатации двигателя на стенках цилиндра и иных поверхностях, контактирующих с продуктами сгорания, формируется тонкий слой осевших продуктов сгорания, в котором накапливается свободный углерод, что делает проблему усиления коррозии при эксплуатации ДВС с подачей в его цилиндры топлива и увлажненного воздуха очень актуальной. Возможно, что усиление коррозии является одной из причин, по которой увлажнение воздуха не нашло широкого применения.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа эксплуатации двигателя внутреннего сгорания с пониженным выбросом токсичных газов с подачей в его цилиндры топлива и увлажненного воздуха, который предотвращает или существенно снижает коррозию и водородное охрупчивание деталей цилиндропоршневой группы и иных элементов ДВС, контактирующих с паровоздушной смесью и продуктами сгорания.

Поставленная задача решается тем, что предлагается способ эксплуатации двигателя внутреннего сгорания с пониженным выбросом токсичных газов, основанный на подаче при эксплуатации ДВС в его цилиндры топлива и увлажненного воздуха, при этом для увлажнения воздуха используют воду и/или водяной пар, подогретые отработавшими газами двигателя, в котором в период эксплуатации периодически на поверхности двигателя внутреннего сгорания, контактирующие прямо или косвенно с продуктами сгорания, наносят защитное покрытие с нанодисперсным модификатором, предотвращающим коррозию и водородное охрупчивание деталей, при этом для нанесения защитного покрытия переводят ДВС на холостой режим работы без увлажнения воздуха, прогревают его на холостом режиме до номинальной температуры, после чего вводят в его картерное масло, в каждый цилиндр и в топливо нанодисперсный модификатор поверхностей трения и поддерживают работу ДВС с введенным в него нанодисперсным модификатором на холостом режиме работы без увлажнения воздуха не менее 1-1,5 часов,

Предпочтительно, что при нанесении защитного покрытия в качестве нанодисперсного модификатора поверхностей трения, предотвращающего коррозию и водородное охрупчивание деталей, в двигатель вводят нанодисперсные порошки минералов группы серпентина: антигорит, лизардит и хризотил.

Предпочтительно, что первое защитное покрытие наносят перед первым запуском ДВС с подачей увлажненного воздуха в цилиндры двигателя.

Кроме того, защитное покрытие с нанодисперсным модификатором, предотвращающим коррозию и водородное охрупчивание деталей, наносят через каждые 5000-6000 часов эксплуатации ДВС с подачей увлажненного воздуха в цилиндры двигателя.

Предпочтительно, что при эксплуатации ДВС периодически определяют, необходимо ли повторное нанесение защитного покрытия с нанодисперсным модификатором, предотвращающим коррозию и водородное охрупчивание деталей, для чего измеряют характеристики цилиндропоршневой группы двигателя и при отклонении характеристик цилиндропоршневой группы двигателя более чем на 10% выполняют нанесение защитного покрытия с нанодисперсным модификатором, предотвращающим коррозию и водородное охрупчивание деталей.

Предпочтительно, что для определения, необходимо ли нанесение защитного покрытия, используют один или несколько следующих параметров: давление остаточного вакуума Р_ОВ, давление полного вакуума Р_ПВ, компрессия двигателя Р_К.

Кроме того, для определения, необходимо ли нанесение защитного покрытия, контролируют дымность отработавших газов при работе ДВС на режиме без увлажнения воздуха.

Кроме того, подачу пара регулируют в пределах 5-15% от расхода топлива.

Кроме того, при эксплуатации двигателей запускают парогенератор в работу после прогрева двигателя до температуры отработавших газов более 150°C и выливают воду из парогенератора после остановки двигателя, если она к последующему запуску двигателя охладится до температуры ниже 30°C.

Нанесение защитного покрытия с нанодисперсным модификатором, предотвращающим коррозию и водородное охрупчивание деталей, препятствует непосредственному контакту поверхностей камеры сгорания с продуктами сгорания, что защищает эти поверхности от усиленной коррозии и водородного охрупчивания. Нанесение защитного покрытия переводом ДВС на холостой режим работы без увлажнения воздуха с прогревом его на холостом режиме до номинальной температуры, после чего вводят в его картерное масло, в каждый цилиндр и в топливо нанодисперсный модификатор поверхностей трения, и поддерживают работу ДВС с введенным в него нанодисперсным модификатором на холостом режиме работы без увлажнения воздуха не менее 1-1,5 часов, обеспечивает нанесение равномерного защитного слоя на наиболее уязвимые поверхности двигателя с точки зрения защиты от усиленной коррозии и водородного охрупчивания.

Использование нанодисперсных порошков минералов группы серпентина (антигорит, лизардит и/или хризотил) является наиболее эффективным для нанесения защитного слоя.

Нанесение первого защитного покрытия перед первым запуском ДВС с подачей увлажненного воздуха в цилиндры двигателя дает возможность обеспечить защиту любого двигателя, в том числе двигателя, конструкция которого не предусматривает такой защиты, например, серийно выпускаемых ДВС.

Нанесение защитного покрытия через каждые 5000-6000 часов эксплуатации ДВС с подачей увлажненного воздуха в цилиндры двигателя обеспечивает длительную безопасную эксплуатацию ДВС с подачей увлажненного воздуха.

Контроль характеристик цилиндропоршневой группы двигателя дает возможность более точного инструментального определения момента, когда необходимо повторное нанесение защитного покрытия с нанодисперсным модификатором, предотвращающим коррозию и водородное охрупчивание деталей.

Предлагаемые параметры контроля: давление остаточного вакуума Р_ОВ, давление полного вакуума Р_ПВ, компрессия двигателя Р_К.

Предлагаемые режимы подачи пара обеспечивают низкую токсичность выхлопных газов и щадящий режим воздействия на поверхности цилиндра и защитное покрытие.

Техническим результатом обработки двигателей нанодисперсным модификатором поверхностей трения на основе минералов группы серпентина является их малоизносная эксплуатация с парогенераторами для впускного воздушного тракта, уменьшение расхода топлива и содержания вредных веществ в отработавших газах.

Пример осуществления изобретения

Предлагаемый способ эксплуатации двигателя внутреннего сгорания с подачей увлажненного воздуха в цилиндры был апробирован на дизельном двигателе Д-240Л трактора МТЗ. Перед первым запуском двигателя с подачей увлажненного воздуха на поверхности двигателя, контактирующие с продуктами сгорания, было нанесено защитное покрытие из нанодисперсного порошка серпентина с содержанием минералов: антигорит 35-40%, хризотил 40-45%, лизардит 15-20%, что аналогично ремонтно-восстановительным порошкам, например, по патентам РФ 2169172, 2176267, 2185422 и др.

Для нанесения защитного покрытия нанодисперсный порошок вводили в картерное масло, дизельный двигатель был запущен и работал в режиме холостого хода 2 часа при частоте вращения коленчатого вала 870-900 об/мин. После нанесения защитного покрытия двигатель был переведен на работу с подачей увлажненного воздуха. Для этого на жаровой (выхлопной) трубе двигателя был смонтирован парогенератор, нагреваемый теплом отработавших газов двигателя, с дополнительным подогревом пара отработавшими газами. Выход паропровода был соединен с эжектором, установленным во впускном воздушном коллекторе двигателя. Расход пара составлял 5-15% от расхода воздуха. Температура пара на входе в эжектор была выше 100°C.

Трактор с доработанным дизельным двигателем работал в различных режимах эксплуатации, в том числе на режимах с максимальной мощностью и на режимах с минимальной мощностью. На всех режимах эксплуатации наблюдалось снижение дымности выхлопных газов примерно в 2 раза и снижение загрязнения токсичными продуктами сгорания, как и на всех известных двигателях внутреннего сгорания с увлажнением всасываемого воздуха. После 2000 часов эксплуатации была проведена проверка состояния поверхностей цилиндра. Никаких коррозионных дефектов, связанных с присутствием в продуктах сгорания повышенного содержания ионов водорода и радикалов от диссоциации угольной кислоты, не обнаружено. Износ покрытия соответствовал длительности эксплуатации двигателя. Учитывая накопленный опыт работы по эксплуатации двигателей внутреннего сгорания с защитными покрытиями на основе нанодисперсного порошка серпентина, повторное нанесение покрытия рекомендовано выполнить после 5000 часов эксплуатации, что гарантирует, что даже в жестких условиях эксплуатации поверхность цилиндров будет надежно защищена от коррозии под воздействием увлажненных продуктов сгорания.

В альтернативном варианте, когда имеется соответствующее диагностическое оборудование, предлагается осуществлять аппаратурный контроль за износом защитного покрытия путем контроля соответствующих параметров эксплуатируемого двигателя. Предпочтительно для определения износа защитного покрытия измеряют давление остаточного вакуума Р_ОВ, давление полного вакуума Р_ПВ, компрессию двигателя Р_К, используя технологию, описанную в патентах РФ №2479830 и №2479831. В данном варианте осуществления предлагаемого изобретения при отклонении контрольного параметра более чем на 10% повторно наносят защитное покрытие по описанной выше технологии.

В качестве варианта контроля износа защитного покрытия для определения, необходимо ли нанесение защитного покрытия, контролируют дымность выхлопных газов, при этом отключают подачу водяного пара в цилиндры двигателя, чтобы исключить влияние увлажнения на работу двигателя.

Описанная технология нанесения защитного покрытия не является единственно возможной. Аналогичные результаты по защите поверхностей двигателя внутреннего сгорания от воздействия коррозионно-активных продуктов сгорания при работе двигателя внутреннего сгорания на увлажненном воздухе можно получить при добавлении нанодисперного серпентированного порошка непосредственно в топливо. При этом добавляемый нанодисперсный порошок не оказывает влияния на работу системы питания двигателя.

В качестве варианта можно подавать нанодисперсный порошок серпентина одновременно и в топливо, и в масло картера.

В примере осуществления описано использование изобретения при эксплуатации дизельного двигателя.

Однако реализация изобретения не ограничивается дизельными двигателями и оно может использоваться в любом двигателе внутреннего сгорания.

Способ может применяться в процессе эксплуатации двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с добавлением пара. В период эксплуатации периодически на поверхности ДВС, контактирующие прямо или косвенно с продуктами сгорания, наносят защитное покрытие (ЗП) с нанодисперсным модификатором (М) поверхностей трения, предотвращающим коррозию и водородное охрупчивание деталей. Для нанесения ЗП переводят ДВС на холостой режим работы без увлажнения воздуха, прогревают его на холостом режиме до номинальной температуры, после чего вводят в его картерное масло, в каждый цилиндр и в топливо М и поддерживают работу ДВС с введенным в него М на холостом режиме работы без увлажнения воздуха не менее 1-1,5 часов. В качестве М используют минералы группы серпентина: антигорит, лизардит и хризотил. Технический результат заключается в предотвращении коррозии и водородного охрупчивания деталей Д. 8 з.п. ф-лы.

1. Способ эксплуатации двигателя внутреннего сгорания с пониженным выбросом токсичных газов, основанный на подаче при эксплуатации ДВС в его цилиндры топлива и увлажненного воздуха, при этом для увлажнения воздуха используют воду и/или водяной пар, подогретые отработавшими газами двигателя, отличающийся тем, что в период эксплуатации периодически на поверхности двигателя внутреннего сгорания, контактирующие прямо или косвенно с продуктами сгорания, наносят защитное покрытие с нанодисперсным модификатором, предотвращающим коррозию и водородное охрупчивание деталей, при этом для нанесения защитного покрытия переводят ДВС на холостой режим работы без увлажнения воздуха, прогревают его на холостом режиме до номинальной температуры, после чего вводят в его картерное масло, в каждый цилиндр или/и в топливо нанодисперсный модификатор поверхностей трения и поддерживают работу ДВС с введенным в него нанодисперсным модификатором на холостом режиме работы без увлажнения воздуха не менее 1-1,5 часов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при нанесении защитного покрытия в качестве нанодисперсного модификатора поверхностей трения, предотвращающего коррозию и водородное охрупчивание деталей, в двигатель вводят нанодисперсные порошки минералов группы серпентина: антигорит, лизардит и хризотил.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что первое защитное покрытие наносят перед первым запуском ДВС с подачей увлажненного воздуха в цилиндры двигателя.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что защитное покрытие с нанодисперсным модификатором, предотвращающим коррозию и водородное охрупчивание деталей, повторно наносят через каждые 5000-6000 часов эксплуатации ДВС с подачей увлажненного воздуха в цилиндры двигателя.

5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что периодически определяют, необходимо ли нанесение защитного покрытия с нанодисперсным модификатором, предотвращающим коррозию и водородное охрупчивание деталей, для чего измеряют характеристики цилиндропоршневой группы двигателя и при отклонении характеристик цилиндропоршневой группы двигателя более чем на 10% выполняют нанесение защитного покрытия с нанодисперсным модификатором, предотвращающим коррозию и водородное охрупчивание деталей,

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что для определения, необходимо ли повторное нанесение защитного покрытия, используют один или несколько следующих параметров: давление остаточного вакуума Р_ОВ, давление полного вакуума Р_ПВ, компрессия двигателя Р_К.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что для определения, необходимо ли нанесение защитного покрытия, контролируют дымность выхлопных газов при работе ДВС на режиме без увлажнения воздуха.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу пара регулируют в пределах 5-15% от расхода топлива.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что при эксплуатации двигателей запускают парогенератор в работу после прогрева двигателя до температуры отработавших газов более 150°C и выливают воду из парогенератора после остановки двигателя, если она к последующему запуску двигателя охладится до температуры ниже 30°C.