Способ сокращения периода замедленного горения в дизеле Российский патент 2023 года по МПК F02M43/00 F02D19/08 

Изобретение относиться к области машиностроения, в частности, к двигателестроению.

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, с. 41].

Недостатком известного способа является наличие значительного периода замедленного горения [Файнлейб Б.Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей. Справочник. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1990, с. 19]. Это приводит к ухудшению топливной экономичности дизеля.

Известно, что поступающее в цилиндры дизеля основное топливо в виде струй посредством форсунок, первоначально деструктурирует до образования каплей, далее идёт процесс фракционирования в результате тепло- и массобмена со свежим воздушным зарядом. После чего впрыснутое основное топливо подвергается нагреву от адиабатного сжатия свежего воздушного заряда, затем испаряется, далее диффундирует в свежий заряд и лишь через некоторое время самовоспламеняется [Р.З. Кавтарадзе. Теория поршневых двигателей. Специальные главы, 2-е издание, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2016, с. 307]. На самовоспламеняемость основного топлива также оказывают влияние его химические свойства, определяющие скорость предпламенных цепных реакций [Варнатц Ю., Маас У., Диббл Р. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ / Пер. с англ. Г.Л. Агафонова. Под ред. П.А. Власова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003, с. 252]. Химический состав основного топлива определяет скорость сгорания топливовоздушной смеси и характер протекания процесса тепловыделения, оказывающего влияние на продолжительность периода замедленного горения в дизеле [2, 3].

Период замедленного горения в дизеле определяется как период или угол поворота коленчатого вала дизеля от момента достижения максимальной температуры цикла в цилиндрах до практического окончания горения (тепловыделения) [Файнлейб Б.Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей. Справочник. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1990, с. 19]. Этот период наблюдается после окончания основной фазы горения топлива и распространяется на значительную часть такта расширения. Наличие данного периода в значительной степени ухудшает экономические показатели дизеля, так как, теплота, выделяющаяся в этот период, превращается в механическую работу не во время нахождения поршня в верхней мёртвой точке (ВМТ), а во время такта расширения.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в сокращении периода замедленного горения в дизеле.

Данный технический результат достигается путём подачи в топливный бак дизеля с системой питания, включающей топливный бак, топливопроводы, топливные фильтры, основную систему топливоподачи, впускной коллектор, камеры сгорания, низших спиртов совместно с топливом с получением в итоге единой смеси, подачи низших спиртов в камеры сгорания дизеля при помощи двойной системы топливоподачи, работающей параллельно основной системе топливоподачи, и подачи низших спиртов во впускной трубопровод путём распыливания.

Процесс замедленного горения носит диффузионный характер, и для завершения догорания необходимо обеспечить ускорение тепловыделения в зоне нахождения поршня в ВМТ, а также сохранить в цилиндрах дизеля процессы переноса и смешивания продуктов неполного окисления топлива с кислородом воздуха [Файнлейб Б.Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей. Справочник. - 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1990, с. 27]. Выполнение этого условия возможно при совместной подаче с основным топливом низших спиртов, добавлением их в топливный бак к основному топливу с получением единой смеси, в камеры сгорания дизеля при помощи двойной системы топливоподачи, работающей параллельно с основной и во впускной трубопровод путём распыливания.

Низшие спирты характеризуются более высокой активностью при горении по сравнению с основным нефтяным топливом. Связано это с тем, что в условиях высоких температур происходит диссоциация низших спиртов с образованием двух активных радикалов - гидроксильной группы и углеводородов, ускоряющих начало цепных реакций и активирующих весь процесс горения топливовоздушной смеси, а также ускоряющий тепловыделение. Благодаря этому горение протекает более устойчиво и быстро, а предел воспламенения топливовоздушной смеси смещается в сторону обеднённой области. Кроме того, вследствие более простой структуры молекул низших спиртов и наличия в них атомарного кислорода препятствует возникновению условий для крекинга и способствует сохранению в цилиндрах дизеля процессов переноса и смешивания продуктов неполного окисления топлива с кислородом, что в свою очередь приводит к повышению топливной экономичности дизеля [Варнатц Ю., Маас У., Диббл Р. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ / Пер. с англ. Г.Л. Агафонова. Под ред. П.А. Власова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003, с. 268].

При проведении комплекса экспериментальных исследований по определению периода замедленного горения четырехтактного дизельного двигателя с турбонаддувом и охладителем наддувочного воздуха с непосредственным впрыском топлива и камерой сгорания типа ЦНИДИ, размерностью 4ЧН 11,0/12,5 с добавками низшего спирта (этанола) C₂H₅OH (Э) в количестве 20% и 40% по массе производили путём его предварительного смешивания с дизельным топливом (ДТ) до получения единой смеси и последующей заправки в топливный бак.

Результаты экспериментальных исследований по определению периода замедленного горения на смеси дизельного топлива и этанола представлены в таблице 1.

Анализ таблицы 1 показал, что при добавлении низшего спирта в данном случае этанола от 20% до 40% привело к сокращению продолжительности периода замедленного горения с 26 до 20 градусов.

В проведенных исследованиях по определению периода замедленного горения на дизеле размерностью 2Ч 10,5/12,0 (Д-21А1) воздушного охлаждения, с полусферической КС в поршне опыт производился с подачей метанола при помощи двойной системы топливоподачи (ДСТ), работающей параллельно основной системе топливоподачи.

Результаты экспериментальных исследований по определению периода замедленного горения при работе дизеля с ДСТ с добавкой метанола до 93% представлены в таблице 2.

Анализ таблицы 2 показал, что при добавлении метанола до 93 % при помощи ДСТ, работающей параллельно основной системе топливоподачи, привело к сокращению продолжительности периода замедленного горения с 16 до 13 градусов.

Исследования, проведенные по определению периода замедленного горения на дизеле размерностью 6ЧН 13/11,5 (СМД-62) жидкостного охлаждения, с тороидальной камерой сгорания в поршне при работе на дизельном топливе с дополнительной подачей низшего спирта метанола CH₃OH во впускной трубопровод путём распыливания в количестве 20% по массе.

Результаты экспериментальных исследований по определению периода замедленного горения при работе дизеля с добавкой 20% метанола во впускной трубопровод путём распыливания представлены в таблице 3.

Из таблицы 3 видно, что при добавлении метанола до 20 % во впускной трубопровод путем распыливания привело к сокращению продолжительности периода замедленного горения с 40 до 35 градусов.

Способ осуществляется следующим образом. Предварительно взятые по массе количества дизельного топлива и низшего спирта смешиваются в специальной таре до получения единой смеси и после этого производится заправка топливного бака дизеля. Также низшие спирты можно подавать в камеры сгорания дизеля при помощи двойной системы топливоподачи, состоящей из двух систем топливоподачи основной для подачи дизельного топлива и вспомогательной для подачи низших спиртов. Обе эти системы работают параллельно друг другу, т.е. основная система топливоподачи осуществляет подачу запальной порции дизельного топлива, а вспомогательная подачу низших спиртов. Также можно подавать низшие спирты во впускной трубопровод путём распыливания или карбюрации, параллельно с основной подачей дизельного топлива при помощи штатной системы топливоподачи.

Низшие спирты попадая в камеры сгорания дизеля при помощи единой смеси с дизельным топливом или в виде отдельно впрыснутой порции при помощи ДСТ или в виде пара, предварительно полученного во впускном трубопроводе при помощи распыливания или карбюрации в условиях высоких температур проходят диссоциацию с образованием двух активных радикалов - гид-роксильной группы и углеводородов, ускоряющих начало цепных реакций и активирующих весь процесс горения топливовоздушной смеси, а также ускоряющий её тепловыделение. В результате нахождения низших спиртов в камерах сгорания дизеля вместе с дизельным топливом приводит к более устойчивому и быстрому сгоранию, а также наличия в них атомарного кислорода приводит к возникновению условий для крекинга и сохранения в цилиндрах дизеля процессов переноса и смешивания продуктов неполного окисления топлива с кислородом что ускоряет начало практического окончания горения (тепловыделения). Выше перечисленные обстоятельства приводят к сокращению периода замедленного горения в дизеле и как следствие возможности улучшения топливной экономичности дизеля.

Технико-экономическое обоснование предлагаемого изобретения заключается в возможности улучшения топливной экономичности дизеля. В результате снижается удельный эффективный расход топлива и увеличивается эффективный КПД.

Дизель, в котором применён данный способ сокращения периода замедленного горения конструктивно не отличается от серийных дизелей, поэтому при конструктивных доработках, связанных с совместной подачей с основным топливом низших спиртов, может быть промышленно применен во всех конструкциях дизельных двигателей с использованием любых углеводородных топлив.

Таблица 1. Результаты экспериментальных исследований по определению периода замедленного горения на смеси дизельного топлива и этанола Параметр Значение Дизельное
топливо
100% Дизельное
топливо 80%
и 20% этанола Дизельное
топливо 60%
и 40% этанола Максимальная температура цикла T_max, К 2200 2180 2110 Угол поворота коленчатого вала дизеля после верхней мертвой точки (ВМТ) при которой достигается максимальная температура цикла, ϕ_Tmax, градусов 34 33 32 Угол поворота коленчатого вала дизеля после ВМТ, соответствующий концу тепловыделения, ϕ_χ, градусов 60 56 52 Период замедленного горения, ϕ_пзг 26 23 20

Таблица 2. Результаты экспериментальных исследований по определению периода замедленного горения при работе дизеля с ДСТ с добавкой метанола до 93% представлены в таблице 2. Параметр Значение Дизельное
топливо 100% 93% метанола Максимальная температура цикла T_max, К 2000 1800 Угол поворота коленчатого вала дизеля после верхней мертвой точки (ВМТ) при которой достигается максимальная температура цикла, ϕ_Tmax, градусов 24 22 Угол поворота коленчатого вала дизеля после ВМТ, соответствующий концу тепловыделения, ϕ_χ, градусов 40 35 Период замедленного горения, ϕ_пзг 16 13

Таблица 3. Результаты экспериментальных исследований по определению периода замедленного горения при работе дизеля с добавкой 20% метанола во впускной трубопровод путём распыливания Параметр Значение Дизельное
топливо 100% 20% метанола Максимальная температура цикла T_max, К 2280 2100 Угол поворота коленчатого вала дизеля после верхней мертвой точки (ВМТ) при которой достигается максимальная температура цикла, ϕ_Tmax, градусов 18 16 Угол поворота коленчатого вала дизеля после ВМТ, соответствующий концу тепловыделения, ϕ_χ, градусов 40 35 Период замедленного горения, ϕ_пзг 22 19

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Способ сокращения периода замедленного горения осуществляется в дизеле с системой питания, включающей топливный бак, топливопроводы, топливные фильтры, основную систему топливоподачи, впускной коллектор и камеры сгорания. Способ заключается в том, что в топливный бак совместно с топливом подают низшие спирты с получением единой смеси. Либо низшие спирты подают в камеры сгорания дизеля при помощи двойной системы топливоподачи, работающей параллельно основной системе топливоподачи. Либо низшие спирты подают во впускной трубопровод путём распыливания. Технический результат заключается в сокращении периода замедленного горения в дизеле. 3 табл.

Способ сокращения периода замедленного горения в дизеле с системой питания, включающей топливный бак, топливопроводы, топливные фильтры, основную систему топливоподачи, впускной коллектор, камеры сгорания, отличающийся тем, что в топливный бак совместно с топливом подают низшие спирты с получением единой смеси, либо низшие спирты подают в камеры сгорания дизеля при помощи двойной системы топливоподачи, работающей параллельно основной системе топливоподачи, либо низшие спирты подают во впускной трубопровод путём распыливания.