Способ увеличения периода управляемого горения в дизельном двигателе Российский патент 2021 года по МПК F02M31/18 F02M53/06 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности двигателестроения.

Известен способ работы дизельного двигателя с воспламенением топлива от нагретого свежего воздушного заряда в результате адиабатного сжатия [Р.З. Кавтарадзе. Теория поршневых двигателей. Специальные главы, 2-е издание, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2016].

Недостатком известного способа является наличие короткого периода управляемого горения [И.Ш. Аднан, Г.М. Камфер, В.Н. Луканин. Расчет периода задержки воспламенения в дизеле в условиях двухфазного смесеобразования. Совершенствование автотракторных двигателей внутреннего сгорания: Тр. МАДИ. - Москва, 1985. С.10-19]. Это приводит к ухудшению экологических показателей дизельного двигателя.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату предлагаемому способу является способ сокращения фазы быстрого горения топлива в дизеле [Способ сокращения фазы быстрого горения топлива в дизеле. Плотников С.А., Бузиков Ш.В., Мотовилова М.В. Патент на изобретение RU 2708484 C1, 09.12.2019. Заявка №2018147777 от 29.12.2018].

Недостатком известного способа является ухудшение экологических показателей дизельного двигателя.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является улучшение экологических показателей дизельного двигателя, а именно снижение выбросов токсичных веществ в атмосферный воздух с отработавшими газами.

Техническим результатом предлагаемого способа является возможность увеличения периода управляемого горения путем нагрева впрыскиваемого в камеры сгорания дизельного двигателя цикловой порции топлива до температуры, равной выкипанию ее 50% фракции при помощи установки электродов, имеющих высокий потенциал напряжения, создающих электроискровой разряд, к стенкам топливопровода на входе в форсунку.

Известно, что поступающая в камеры сгорания дизельного двигателя цикловая порция топлива в виде струй посредством форсунок, первоначально разрушается до образования каплей, далее идет процесс фракционирования в результате тепло- и массобмена с воздухом [Р.З. Кавтарадзе. Теория поршневых двигателей. Специальные главы, 2-е издание, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2016]. После чего впрыснутая цикловая порция топлива нагревается за счет адиабатного сжатия, затем испаряется, далее диффундирует со свежим зарядом и лишь через какое-то время самовоспламеняется [Р.З. Кавтарадзе. Теория поршневых двигателей. Специальные главы, 2-е издание, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2016]. Как правило, на самовоспламеняемость топлива оказывает влияние его фракционный состав, определяющий скорость его испарения и образования смеси с воздухом после впрыскивания порции топлива [Исакович Р.Я. Технологические измерения и приборы 2-е изд., перераб. - М.: Недра. 1979 г.344 с.]. Температура фракционной разгонки топлива, соответствующая выкипанию ее 50% фракции, напрямую определяет начало процесса управляемого горения [Богомолов А.И., Гайле А.А., Громова В.В. и др. Химия нефти и газа 3-е издание, дополненное и исправленное. - Под ред. Проскурякова В.А. - СПб: Химия, 1995. - 446 с.]. Период времени от конца фазы быстрого горения топлива впрыснутого за период задержки воспламенения и до окончания впрыскивания цикловой порции составляет период управляемого горения [И.Ш. Аднан, Г.М. Камфер, В.Н. Луканин. Расчет периода задержки воспламенения в дизеле в условиях двухфазного смесеобразования. Совершенствование автотракторных двигателей внутреннего сгорания: Тр. МАДИ. - Москва, 1985. С. 10-19]. Продолжительность данного периода определяется количеством испарившейся цикловой порции топлива впрыснутого в камеры сгорания дизельного двигателя за период задержки воспламенения и сгоревшей за период фазы быстрого горения [Р.З. Кавтарадзе. Теория поршневых двигателей. Специальные главы, 2-е издание, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2016]. Для улучшения экологических показателей дизельного двигателя необходимо чтобы тепловыделение происходило согласно закону топливоподачи (ввода теплоты) то есть скорость сгорания была равна скорости топливоподачи. Наличие короткого периода управляемого горения приводит к ухудшению экологических показателей дизельного двигателя.

Применение электродов, имеющих высокий потенциал напряжения, создающих электроискровой разряд, к стенкам топливопровода на входе в форсунку, позволит, в результате явления электромагнитной индукции, нагреть топливопроводы высокого давления, в которых протекает впрыскиваемое в камеры сгорания дизельного двигателя цикловая порция топлива до температуры равной выкипанию ее 50% фракции. Данный нагрев цикловой порции топлива от стенок топливопроводов высокого давления приведет к ее полному испарению в камерах сгорания дизельного двигателя и полностью исключит период задержки воспламенения и как следствие фазу быстрого горения, что в свою очередь ускорит начало периода управляемого горения и увеличит его продолжительность.

При нагреве впрыскиваемого в камеры сгорания дизельного двигателя цикловой порции топлива до температуры равной выкипанию ее 50% фракции, горение начинается практически сразу без задержки в результате исключения времени на нагрев, далее испарение топлива и значительного ускорения их диффузионного перемешивания со свежим зарядом за счет значительного тепло- и массопереноса [Р.З. Кавтарадзе. Теория поршневых двигателей. Специальные главы, 2-е издание, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2016]. Следовательно, период управляемого горения значительно увеличивается. В результате тепловыделение происходит согласно закону топливоподачи (ввода теплоты) то есть скорость сгорания топлива становится равной скорости топливоподачи, что в свою очередь приводит к улучшению экологических показателей дизельного двигателя.

Определение температуры топлива, равной выкипанию ее 50% фракции определяется согласно методике [ГОСТ 2177-99 Нефтепродукты. Методы определения фракционного состава; ГОСТ Р ЕН ИСО 3405-2007 Нефтепродукты. Метод определения фракционного состава при атмосферном давлении (с Поправкой)]. Температуру нагрева топлива равную выкипанию ее 50% фракции контролируют при помощи регулирования напряжения тока на концах электродов, установленных на стенках топливопроводов на входе в форсунку.

Промышленная применимость данного способа заключается в возможности нагрева впрыскиваемого в камеры сгорания дизельного двигателя топлива до температуры равной выкипанию ее 50% фракции при помощи установки электродов, имеющих высокий потенциал напряжения, создающих электроискровой разряд, к стенкам топливопровода на входе в форсунку. Дизельный двигатель, в котором применен данный способ увеличения периода управляемого горения топлива конструктивно не отличается от серийных дизельных двигателей, поэтому при конструктивных доработках, связанных с нагревом впрыскиваемого в камеры сгорания топлива до температуры равной выкипанию ее 50% фракции, может быть промышленно применен во всех конструкциях дизельных двигателей с использованием любых углеводородных топлив.

Изобретение может быть использовано в дизельных двигателях. Способ увеличения периода управляемого горения осуществляется в дизельном двигателе, имеющем в составе топливной аппаратуры топливопроводы высокого давления и форсунки. Увеличение периода управляемого горения достигается путем нагрева впрыскиваемой в камеры сгорания дизельного двигателя цикловой порции топлива до температуры, равной выкипанию её 50% фракции, за счет установки электродов, имеющих высокий потенциал напряжения. Электроды создают электроискровой разряд к стенкам топливопровода на входе в форсунку. Технический результат заключается в снижении выбросов в атмосферный воздух токсичных веществ с отработавшими газами. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ увеличения периода управляемого горения в дизельном двигателе, имеющем в составе топливной аппаратуры топливопроводы высокого давления и форсунки, отличающийся тем, что увеличение периода управляемого горения достигается путем нагрева впрыскиваемой в камеры сгорания дизельного двигателя цикловой порции топлива до температуры, равной выкипанию её 50% фракции, за счет установки электродов, имеющих высокий потенциал напряжения и создающих электроискровой разряд, к стенкам топливопровода на входе в форсунку.

2. Способ увеличения периода управляемого горения в дизельном двигателе по п. 1, отличающийся тем, что температуру нагрева топлива, равную выкипанию её 50% фракции, контролируют при помощи регулирования напряжения тока на концах электродов, установленных на стенках топливопроводов на входе в форсунку.