Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОДАЧИ ГОРЮЧЕГО ГАЗА В РАБОЧИЕ ЦИЛИНДРЫ ГАЗОДИЗЕЛЯ

Изобретение относится к газожидкостным двигателям внутреннего сгорания - газодизелям, работающим на газообразном топливе с воспламенением сжимаемой в цилиндрах смеси горючего газа с воздухом впрыском ограниченного количества - «запальной дозы» - жидкого дизельного топлива.

Известен способ подачи горючего газа - газового топлива (природный газ, метан) - в цилиндры газожидкостного двигателя внутреннего сгорания (газодизеля) путем подачи газа в каждый цилиндр или в полость впускных клапанов крышки каждого цилиндра через газовые клапаны. Газовые клапаны в этом случае открывают для подачи газа на такте наполнения данного цилиндра воздухом.

Газовые клапаны периодически открываются и закрываются либо механическим приводом от распределительного вала двигателя, либо электромагнитами, управляемыми автоматической электронной системой управления (АЭСУ).

Подаваемый в цилиндры газ иногда подогревают в теплообменнике горячей водой, охлаждающей дизель, с температурой до 80-90°С

(Васильев Ю.Н., Золотаревский Л.С., Ксенофонтов С.И. Газовые и газодизельные двигатели. М., ВНИИЭГазпром, 1992 г.; Фофанов Г.А., Бондаренко Л.М. и др. Газотепловозы. Опыт и перспективы развития. Труды ВНИТИ, Коломна. 1999, вып.79, с.419-422).

Недостатком такого способа подачи горючего газа в цилиндры газодизеля является негомогенность газовоздушной смеси в камерах сгорания цилиндров к моменту начала впрыска запального жидкого топлива и воспламенения смеси, поскольку втекающие в цилиндр газовые струи не успевают равномерно распределиться в объеме камеры сгорания. В этих условиях процесс сгорания замедляется, снижается индикаторный кпд, увеличиваются расход топлива и содержание углеводородов в выпускных газах, уменьшается мощность двигателя. Температура, до которой подогревают газ водой системы охлаждения, недостаточна для ускорения гомогенизации газовоздушной смеси.

Известен способ подачи газового топлива в рабочие цилиндры газодизеля, принятый за прототип, заключающийся в том, что непрерывно подают все необходимое количество горючего газа через впускной патрубок в компрессор наддува или во входное устройство объемного нагнетателя двигателя. При этом способе подачи вращающееся рабочее колесо или роторы компрессора перемешивают газ с наддувочным воздухом, благодаря чему в наддувочный (воздушный) ресивер, а затем через впускные клапаны в рабочие цилиндры направляют гомогенную газовоздушную смесь, что обеспечивает после впрыска запальной дозы жидкого топлива быстрое сгорание газа с высоким индикаторным кпд.

Указанный способ подачи газа реализован на газодизелях типа 12ЧНГ26/26 ОАО ХК «Коломенский завод», применяемых на передвижных электростанциях с газодизельным приводом ЭГД-2, ПЭ6.

(В.Грайфер, В.Гольцов, Э.Улановский. Разработка и применение автономных систем электроснабжения на нефтяных промыслах. ИД «Нефть и Капитал», 2006, (info@oilcapital.ru.).

Недостатком такого способа подачи горючего газа в рабочие цилиндры является потеря части газового топлива вместе с воздухом в период «продувки» - когда в конце такта выпуска впускные клапаны открываются при еще не закрытых выпускных клапанах и часть поступающей в цилиндр газовоздушной смеси из цилиндра выходит в выпускной коллектор. Потеря части газа ухудшает экономические показатели газодизеля и загрязняет окружающую среду.

Кроме того, подача всего используемого количества газа через компрессор и наддувочный ресивер газодизеля создает опасность взрыва газовоздушной смеси в ресивере вследствие местного образования взрывоопасной (5-15% по объему) концентрации газа, возможного при переменных режимах работы, или в случае неисправности элементов воздушного тракта, например клапанов газодизеля.

Техническим результатом изобретения являются: повышение экономичности рабочего процесса, увеличение мощности и приемистости газодизелей, исключение опасности взрыва газовоздушной смеси в воздушном ресивере, а также уменьшение загрязнения окружающей среды.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе подачи горючего газа в рабочие цилиндры газодизеля общее количество подаваемого газа разделяют на две части; одну часть в количестве от 20 до 50% подают через впускной патрубок в компрессор наддува и далее в виде газовоздушной смеси в наддувочный ресивер и через впускные клапаны в рабочие цилиндры, а остальную часть газа в количестве от 80 до 50% направляют через коллектор газовый и газовые клапаны в рабочие цилиндры газодизеля.

Кроме этого, на режиме малых нагрузок (до 50% полной мощности) через газовый коллектор и газовые клапаны в рабочие цилиндры газодизеля подают от 80 до 65%, а на режимах, близких к полной мощности (свыше 50% полной мощности) от 65 до 50% общего количества подаваемого газа, остальное количество газа подают через впускной патрубок в компрессор наддува и далее в виде газовоздушной смеси в наддувочный ресивер и через впускные клапаны в рабочие цилиндры газодизеля.

Часть газа, подаваемую через газовые клапаны в рабочие цилиндры, предварительно нагревают в подогревателе за счет тепла выпускных газов газодизеля до температуры 150-250°С. Схема системы газоподачи для реализации предложенного способа подачи горючего газа в рабочие цилиндры газодизеля приведена на чертеже.

Система содержит отсечной клапан 1, к которому подведен трубопровод газа от емкости (на чертеже не показаны) газа, редуктор 2 давления газа и разделитель 3 газовых потоков, от которого отходят два газопровода: газопровод 4 подачи газа в компрессор 5 наддува и газопровод 6 подачи газа с коллектором газовым 7 в рабочие цилиндры 8 газодизеля 9.

Газопровод 4 подачи газа в компрессор 5 включает: регулятор 10 подачи газа в компрессор 5, датчик 11, отсечной клапан 12, впускной патрубок 13 входа в воздушную полость компрессора 5 наддува. Впускной патрубок 13 компрессора 5 сообщен с рабочими цилиндрами 8 газодизеля 9 через каналы 14 охладителя газовоздушной смеси 15, наддувочный ресивер 16, каналы 17 впускных клапанов (на чертеже не показаны) крышек 18 рабочих цилиндров 8.

Газопровод 6 подачи газа в рабочие цилиндры 8 имеет в своем составе: регулятор 19 подачи газа в рабочие цилиндры 8, подогреватель 20 газа, отсечной клапан 21, датчик 22, коллектор газовый 7, соединенный с газовыми клапанами 23 рабочих цилиндров 8 газодизеля 9.

Управление работой системы газоподачи осуществляется через блок управления 24, который связан с регуляторами 10 и 19 газопроводов 4 и 6, отсечными клапанами 1, 12, 21, датчиками 11 и 22, газовыми клапанами 23 рабочих цилиндров 8 и регулятором 25 газодизеля 9 (две последние связи на чертеже не показаны).

Для запала газовоздушной смеси в рабочих цилиндрах 8 газодизель 9 оборудован форсунками 26 подачи запальных доз жидкого топлива, трубопроводом 27 жидкого топлива, механизмом 28 подачи запальных доз жидкого топлива, связанным с регулятором 25 газодизеля 9.

Способ подачи горючего газа в рабочие цилиндры газодизеля осуществляется следующим образом.

Запускают газодизель 9 для работы по дизельному циклу с подачей жидкого топлива к форсункам 26 по трубопроводу 27 жидкого топлива.

Для перехода на газодизельный цикл работы горючий газ под давлением подводят от газовой емкости (на чертеже не показана) через отсечной клапан 1 и редуктор 2 давления газа к разделителю 3 газовых потоков, в котором общее количество подаваемого газа разделяют на две части.

Одну часть газа в количестве от 20 до 50% общего количества подаваемого газа подают по газопроводу 4 через впускной патрубок 13 в компрессор 5 наддува, где перемешивают с наддувочным воздухом. Проходя вместе с воздухом через лопаточный аппарат и диффузор компрессора 5 наддува, эта часть газа образует гомогенную газовоздушную смесь, которую направляют в каналы 14 охладителя газовоздушной смеси 15 для охлаждения и затем в наддувочный ресивер 16 газодизеля 9, откуда направляют через каналы 17 и впускные клапаны в рабочие цилиндры 8 газодизеля 9 на такте наполнения цилиндров 8.

Уменьшение в сравнении с прототипом количества газа, вводимого через наддувочный ресивер 16, до 20-50% общего количества подаваемого газа уменьшает в 2-5 раз концентрацию газа в газовоздушной смеси. При нижнем концентрационном пределе воспламенения газовоздушной смеси, равном 5% газа в воздухе, указанное уменьшение количества газа, вводимого через наддувочный ресивер, уменьшает содержание газа в газовоздушной смеси до 1,5%-0,6%, что исключает возможность взрыва газовоздушной смеси в наддувочном ресивере 16 газодизеля 9. В том же соотношении в сравнении с известным способом газоподачи уменьшаются потери газовоздушной смеси в период, когда одновременно открыты впускные и выпускные (на чертеже не показаны) клапаны.

Остальную часть газа в количестве 80%-50% общего количества подаваемого газа направляют от разделителя 3 потоков газа по газопроводу 6 подачи газа к регулятору 19 подачи газа в цилиндры 8, через подогреватель газа 20, в котором газ может быть нагрет за счет тепла выпускных газов газодизеля 9 и далее направляют через отсечной клапан 21, коллектор газовый 7 и газовые клапаны 23 в рабочие цилиндры 8 газодизеля 9. Газовые клапаны 23 открывают периодически в соответствии с порядком работы рабочих цилиндров 8 с помощью электромагнитного привода (на чертеже не показано) под воздействием управляющих сигналов от блока управления 24 или механизма газораспределения газодизеля 9 (на чертеже не показано). Газовые клапаны 23 открывают проход газа в рабочие цилиндры 8, где газовые струи попадают в гомогенную газовоздушную среду, поскольку от 20 до 50% общего подаваемого количества газа уже введено в воздушный заряд в компрессоре 5 наддува, что ускоряет в сравнении с известным способом газоподачи равномерное распределение всего газа в объеме рабочего цилиндра 8 и гомогенизацию всей смеси, повышение скорости и полноты сгорания, определяющих индикаторный коэффициент полезного действия и приемистость газодизеля 9.

Перемешивание подаваемого газа с газовоздушной смесью и воспламенение смеси ускоряют также повышением температуры газа до 150-250°С в подогревателе 20 газа.

Для оптимизации процессов смесеобразования и сгорания на разных режимах работы газодизеля целесообразно изменять в заявленных пределах соотношение количеств горючего газа, подаваемых по газопроводу 6 через газовые клапаны 23 и по газопроводу 4 через компрессор 5 наддува, и впускные клапаны в рабочие цилиндры. В частности, на режимах малых нагрузок (до 50% полной мощности) по газопроводу 6 в рабочие цилиндры подают от 80 до 65%, а на режимах, близких к полной мощности (свыше 50% полной мощности), подают от 65 до 50% общего количества подаваемого газа, при подаче остальных количеств газа по газопроводу 4 через компрессор 5 наддува и впускные клапаны.

Способ двухпоточной подачи горючего газа в рабочие цилиндры газодизеля основан на применении выпускаемых отечественной промышленностью устройств и обеспечивает повышение экономичности, приемистости и взрывобезопасности газодизелей.

Предлагаемый способ позволяет подавать в рабочие цилиндры через газовые клапаны 80-50% общего количества подаваемого газа, благодаря чему улучшаются условия и сокращается время перемешивания газовых струй с воздушным зарядом в рабочих цилиндрах. Ускорению гомогенизации газовоздушной смеси в рабочих цилиндрах способствует также подогрев этой части газового заряда до температуры 150-250°С.

Уменьшение количества газа, вводимого во всасывающий патрубок компрессора наддува и подаваемого в наддувочный ресивер и рабочие цилиндры газодизеля в смеси с наддувочным воздухом, до величины 20-50% общей газоподачи сокращает от 5 до 2 раз потери газа при продувке и уменьшает загрязнение углеводородами окружающей среды, а также исключает возможность образования взрывоопасной концентрации газа в наддувочном ресивере газодизеля.

Предлагаемый двухпоточный способ подачи горючего газа в рабочие цилиндры газодизеля в заявленном количественном соотношении расходов газа по двум потокам, различающимся организацией взаимодействия газовой и воздушной сред и температурного воздействия на газ, повышает качество процессов смесеобразования в рабочих цилиндрах, экономичность, взрывобезопасность и надежность газодизелей, а также экологические качества объектов, на которых газодизели применяются. Способ создает возможность увеличения общего количества горючего газа, подаваемого в рабочие цилиндры газодизеля и соответствующего увеличения мощности газодизеля.