Способ подачи аммиака во впускную систему дизельного двигателя Российский патент 2024 года по МПК F02D19/08 F02M21/02 

Изобретение относится к топливно-энергетическому комплексу, а именно к способам подачи альтернативного топлива во впускной коллектор дизельного двигателя.

Предложен способ подачи аммиака во впускную систему дизельного двигателя заключающийся в том, на номинальном режиме работы дизельного двигателя необходимо подавать аммиака не более 15-17%, а по мере снижения нагрузки долю аммиака можно увеличивать на 7-8% и далее с 0,25% от номинального режима работы дизельного двигателя до режима холостого хода необходимо замещать 50% дизельного топлива аммиаком, при этом перед турбиной давление больше, чем давление за компрессором и поток рабочего тела направлен из выхлопного коллектора в впускной, расход воздуха при продувке цилиндра на номинальном режиме необходимо поддерживать 2,4% от суммарного расхода через дизельный двигатель, а эффективное перемещение клапанов на протяжении всего процесса продувки должно составлять 2,8 мм.

Из уровня техники известно, что оптимальным вариантом подачи альтернативного топлива является схема, в которой аммиак подают в дизельный двигатель через входной коллектор и далее вместе с воздухом в цилиндры. При этом, во-первых, требуются относительно небольшие ресурсы для адаптации дизелей в рамках конвертации на работу с замещением дизельного топлива альтернативным. Во-вторых, аммиак не воспламеняется при температурах, которые имеют место при сжатии рабочего тела в цилиндре, и воспламеняется только от запальной дозы дизельного топлива.

Например, в этой области много работ проведено научными коллективами АО «ВНИИЖТ», АО «ВНИКТИ» по проектам для конвертирования тепловозов 2ТЭ10Г, 2ТЭ116Г, ТЭМ2Г, ЧМЭ3Г, ТЭМ18Г для работы на газодизельный цикл, которые показали положительные результаты [Информационно-справочный материал о существующих технических решениях применения СПГ для железнодорожного транспорта. - Текст: электронный // https://www.gazprom-international.ru/d/textpage/9b/155/tekhnicheskie-resheniya-primeneniya-spg-dlya-zheleznodorozhnogo-transporta.pdf].

При подаче аммиака через входной воздушный коллектор возникает вопрос о возможности и последствиях проскока аммиака в выхлопную систему при продувке цилиндра, когда открыты впускные и выпускные клапаны, в выпускную систему. Процесс газообмена в поршневых двигателях внутреннего сгорания состоит из сложных газодинамических процессов при продувке цилиндра через клапаны.

Изменение давления в полости цилиндра влияет на давление рабочего тела во впускной и выпускной системе. Колебание давления рабочего тела во впускных и выпускных системах обусловлено газодинамическими явлениями.

Процессы газообмена в зависимости от соотношения значений параметров рабочего тела в рабочей полости и смежных системах можно условно подразделить на несколько периодов: свободный выпуск, выпуск, продувка, наполнение (впуск), дополнительная зарядка. Свободный выпуск обусловлен значительным перепадом давлений в рабочей полости и в выпускной системе. Начинается свободный выпуск в момент открытия выпускных клапанов и продолжается до момента, когда продукты сгорания начинают выходить из цилиндра под воздействием перемещения поршня [Газообмен в двигателях внутреннего сгорания: Учеб. Пособие / В.Г. Дьяченко. - Киев: УМК ВО, 1989. - 204 с.].

В двигателях с наддувом и давление во впускном канале больше давления в выпускном канале (РS > РT). Продувка камеры сгорания улучшает наполнение цилиндра, снижает температуру выпускных клапанов, поршня. Процесс наполнения как в двигателях без наддува, так и в двигателях с наддувом обусловлен увеличением объема рабочей полости.

Дополнительная зарядка цилиндра за нижней мертвой точки (НМТ) до закрытия впускных клапанов происходит, если давление воздуха или топливовоздушной смеси перед впускными клапанами, выше, чем давление в цилиндре. В противном случае происходит выброс из цилиндра части свежего заряда. Повышение давления воздуха перед впускными клапанами в конце такта впуска может быть достигнуто соответствующим выбором диаметра и длины впускного канала и повышением давления воздуха за компрессором [Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. В 2 ч. Ч. 1: Учеб. Руководство: Для вузов. - 5-е изд. Перераб. И доп. - М.: Наука. Гл. ред. Физ. -мат. Лит., 1991. - 600 с.].

Также известен способ подачи и смешения аммиака с воздухом перед подачей в цилиндры дизельного двигателя и устройство для его осуществления, согласно которому после запуска дизельного двигателя включают насос шестеренчатый с электрическим приводом для подкачки аммиака из емкости, вентилем регулировочным устанавливают давление аммиака перед основным жиклером на режимах пониженной мощности дизельного двигателя маневрового тепловоза, в том числе на 2-й, 3-й и 4-й позициях контроллера машиниста и в соответствии с требованием обеспечения замещения дизельного топлива аммиаком на 40-60 % устанавливают и контролируют давление по показаниям манометра, а на повышенных 5-й, 6-й, 7-й и 8-й позициях контроллера машиниста устанавливают и контролируют давление также в соответствии с требованием обеспечения замещения дизельного топлива аммиаком на 40-60 %, при этом открывается нормально закрытый клапан и аммиак поступает через основной жиклер и дополнительный жиклер [патент РФ №2811851, МПК F02M 21/02, F02B 29/04, F02D 19/08, опубл. 18.01.2024. Способ подачи и смешения аммиака с воздухом перед подачей в цилиндры дизельного двигателя и устройство для его осуществления / Росляков А.Д. и др.].

Недостатком является возможность проскока паров аммиака из входного коллектора в выхлопную систему в период продувки цилиндра.

Данное техническое решение выбрано авторами в качестве прототипа.

Техническим результатом является исключения попадания паров аммиака при продувке цилиндра в выхлопную систему и далее в атмосферу.

Технический результат достигается тем, что согласно заявленному способу на номинальном режиме работы дизельного двигателя необходимо подавать аммиака не более 15-17 %, а по мере снижения нагрузки долю аммиака можно увеличивать на 7-8 % и далее с 0,25% от номинального режима работы дизельного двигателя до режима холостого хода необходимо замещать 50% дизельного топлива аммиаком, при этом перед турбиной давление больше, чем давление за компрессором и поток рабочего тела направлен из выхлопного коллектора в впускной, расход воздуха при продувке цилиндра на номинальном режиме необходимо поддерживать 2,4 % от суммарного расхода через дизельный двигатель, а эффективное перемещение клапанов на протяжении всего процесса продувки должно составлять 2,8 мм.

Путем использования программного комплекса ANSYS CFX выполнено численное моделирование течения воздуха в системе продувки цилиндра.

Расчет структуры потока и в том числе расхода воздуха при продувке цилиндра путем использования программного комплекса ANSYS выполнен по следующим исходным данным:

- принят вариант процесса, когда впускные клапана начинают открываться за 50 градусов до верхней мертвой точки (ВМТ), а выпускные клапаны закрываются через 50 градусов после ВМТ;

- средняя скорость поршня принималась 8 м/с;

- параметры газа на входе: Т = 320 К, Р = 0,56 кг/см² или 1,56 кг/см² или 156000 Па;

- дополнительно учтено следующее. Процесс продувки цилиндра, когда открыты впускные и выпускные клапаны, происходит в период поворота коленчатого вала на 100 градусов. У двигателя один цикл продувки происходит за 720 градусов поворота коленчатого вала или доля времени продувки из общего времени работы двигателя составляет τ̅ = 100/720 = 0,139. Частота вращения коленчатого вала двигателя равна n = 750 об/мин или 12,5 об/с. При этом расход воздуха через дизель равен G = 1,7 кг/с. Расход воздух через дизель осуществляется непрерывно в течении всей секунды, а на продувку поступает только 0,139 часть воздуха от расчета расхода воздуха за одну секунду. Следовательно, на продувку идет только доля секундного расхода продувочного воздуха или Gпр = 2G⋅τ̅ = 0,194⋅0,139 = 0,027 кг/с. От суммарного расхода воздуха это составляет 2,4 %.

На номинальном режиме работы дизеля расход воздуха G_В = 1,7 кг/с, коэффициент расхода воздуха α = 2,28, расход дизельного топлива Gд = 0,0257 кг/с, расход аммиака G_АМ = 0,0596 кг/с.

На фиг. 1. приведено поле скорости в сечении канала при продувке цилиндра на номинальном режиме работы дизеля.

По результатам расчета получено, что на продувку идет 0,04 кг/с продувочного воздуха. От суммарного расхода воздуха это составляет 2,4%.

Маневровый тепловоз работает большую часть времени на пониженных режимах. На режимах, начиная с холостого хода до режима 0,25% номинальной мощности параметры работы турбокомпрессор находятся в нерасчетном диапазоне. При этом турбокомпрессор перестает выполнять свои функции и является не устройством, повышающим давление рабочего тела на входе в цилиндр, а наоборот является устройством, создающим сопротивление.

На фиг. 2. приведено поле скорости в сечении канала при продувке цилиндра при 0,25% от номинального режима работы дизельного двигателя.

Перед турбиной давление больше, чем давление за компрессором и поток рабочего тела направлен из выхлопного коллектора в впускной. Такое направление движения рабочего тела исключает поступления паров аммиака в выхлопную систему и далее в атмосферу.

Техническим результатом является исключения попадания паров аммиака при продувке цилиндра в выхлопную систему и далее в атмосферу.

Изобретение может быть использовано в системах топливоподачи дизельных двигателей внутреннего сгорания. Способ подачи аммиака во впускную систему дизельного двигателя заключается в том, что на номинальном режиме работы дизельного двигателя подают аммиака не более 15-17%. По мере снижения нагрузки долю аммиака увеличивают на 7-8% и далее с 0,25% от номинального режима работы дизельного двигателя до режима холостого хода замещают 50% дизельного топлива аммиаком. При этом перед турбиной давление больше, чем давление за компрессором, и поток рабочего тела направлен из выхлопного коллектора в впускной. Расход воздуха при продувке цилиндра на номинальном режиме поддерживают 2,4% от суммарного расхода через дизельный двигатель. Эффективное перемещение клапанов на протяжении всего процесса продувки должно составлять 2,8 мм. Технический результат заключается в исключении попадания паров аммиака при продувке цилиндра в выхлопную систему и далее в атмосферу. 2 ил.

Способ подачи аммиака во впускную систему дизельного двигателя, заключающийся в том, на номинальном режиме работы дизельного двигателя необходимо подавать аммиака не более 15-17%, а по мере снижения нагрузки долю аммиака можно увеличивать на 7-8% и далее с 0,25% от номинального режима работы дизельного двигателя до режима холостого хода необходимо замещать 50% дизельного топлива аммиаком, при этом перед турбиной давление больше, чем давление за компрессором, и поток рабочего тела направлен из выхлопного коллектора в впускной, расход воздуха при продувке цилиндра на номинальном режиме необходимо поддерживать 2,4% от суммарного расхода через дизельный двигатель, а эффективное перемещение клапанов на протяжении всего процесса продувки должно составлять 2,8 мм.