Способ организации рабочего процесса газодизельного двигателя

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателям внутреннего сгорания, и может использоваться в системах питания двигателей внутреннего сгорания, работающих на газомоторных топливах, таких как сжиженные углеводородные топлива, природный газ и другие.

Известен способ зажигания топливно-воздушных смесей в двигателе внутреннего сгорания, описанный в патенте РФ №2535308 МПК F02B 19/12, F02B 43/00, 2012. Предложен способ зажигания топливно-воздушной, преимущественно бедной, смеси в двигателе внутреннего сгорания с основной камерой сгорания и с камерой зажигания, включающий в себя следующие этапы: впуск на такте сжатия в камеру зажигания топливно-воздушной смеси из основной камеры сгорания, зажигание топливно-воздушной смеси, выброс горящего факела в основную камеру сгорания в начале такта расширения. При этом в качестве основного отличия в данном способе заявляется то, что впуск топливно-воздушной смеси из основной камеры сгорания в камеру зажигания осуществляют по ее центральной оси через газодинамические детекторы, причем, по меньшей мере, один детектор имеет пропускную способность в сторону камеры зажигания, а выброс горящего факела из камеры зажигания в основную камеру сгорания осуществляют по ее периферии через газодинамические детекторы, из которых, по меньшей мере, два имеют пропускную способность в сторону основной камеры сгорания, при этом горящие струи направляют на условную окружность центра масс для заданного объема основной камеры сгорания.

Основными недостатками известного способа являются сложность конструкции и повышенные требования к точности изготовления и обработки элементов конструкции, а также невысокая эффективность при использовании без искрового воспламенения топливно-воздушной смеси.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ организации рабочего процесса газового поршневого двигателя с искровым зажиганием, заключающимся в подаче газо-воздушной смеси в камеру сгорания с впускным каналом, являющийся накопительной камерой, в процессе сжатия газо-воздушная смесь при ее соприкосновении и смешении с остаточными газами в камере сгорания запускают реакции комбинированной конверсии низших алканов в присутствии катализатора нанесенного на стенки камеры сгорания.

В камере зажигания обеспечивают сохранение остаточных газов температурой 500-700°C и их соприкосновение и смешение с газовоздушной смесью, поступающей в процессе сжатия из камеры сгорания через соединительный канал в камеру зажигания, инициируя этим запуск реакций комбинированной конверсии низших алканов, входящих в состав газовоздушной смеси, в водород и окись углерода, при этом обеспечивают интенсификацию реакций комбинированной конверсии за счет повышения давления и соответственно температуры газовоздушной смеси в камере сгорания и соответственно в камере зажигания, обеспечивающий в момент искрообразования энергию разряда не менее 200 мДж и имеющий камеру зажигания выполненную из материала, являющегося катализатором реакций комбинированной конверсии низших алканов в водород и окись углерода (патент РФ 2535308, МПК F02B 19/12, F02B 43/00, 2012)

Недостатком известного способа, применяемого в газовом двигателе является малая поверхность каталитического материала, отделенного от основной камеры, низкая эффективность в двигателях с воспламенением от сжатия, необходимость изготовления и установки отдельной камеры зажигания.

Технической задачей изобретения является исключение детонации при работе газодизельного двигателя на всех эксплуатационных режимах, повышение надежности системы, улучшение его топливной экономичности и экологических показателей, путем оптимизации подачи жидкого и газообразного топлива при изменении скоростного и нагрузочного режимов работы газодизеля.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в способе организации рабочего процесса газодизельного двигателя, заключающемся в подаче паро-газо-воздушной смеси в камеру сгорания с впускным каналом, являющийся накопительной камерой, в процессе сжатия паро-газо-воздушной смеси при ее соприкосновении и смешении с остаточными газами в камере сгорания запускают реакции комбинированной конверсии низших алканов в присутствии катализатора нанесенного на стенки камеры сгорания. При этом в камеру сгорания поступает обедненная паро-газо-воздушная смесь, которая смешивается с остаточными газами, образуя топливный заряд, в процессе сжатия топливного заряда происходит его воспламенение, в присутствии катализатора, запускается реакция комбинированной конверсии низших алканов (метан, этан, пропан, бутан) в водород и окись углерода, в конце процесса сгорания топливного заряда на границе с катализатором запускается процесс высокотемпературной очистки отработавших газов от выбросов оксидов азота высокотемпературным каталитическим восстановлением на поверхности катализаторов при контакте нитрозных газов с газами восстановителями содержащимися в отработавших газах, при этом восстановителями являются метан, оксид углерода, водород и азотно-водородная смесь.

Изобретение объясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена система питания газодизеля; на фиг. 2 - камера сгорания газодизеля.

Система питания газодизеля содержит линии подачи газа - а и питания жидким топливом – б; электронную систему регулирования подачи и переключения топлив – в; систему перепуска отработавших газов – г; систему подачи воды в парообразном состоянии – д.

Линия подачи газа –а включает источник газового топлива 1, впускной коллектор 2 двигателя, вентиль 3, заправочное устройство 4, запорный электромагнитный клапан 5, газовый фильтр 6, газовый редуктор 7, фильтр 8 тонкой очистки газа, электромагнитные клапаны 9 подачи газа.

Линия питания жидким топливом - б включает топливный бак 10, фильтр грубой очистки топлива 11, топливоподкачивающий насос 12, - фильтр 13 тонкой очистки топлива, топливный насос 14 высокого давления, исполнительное устройство 15 топливного насоса высокого давления, - форсунки 16.

Электронная система регулирования подачи и переключения топлив - в включает блок управления 17, датчики 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, электронная педаль 27 подачи топлива, ручной регулятор 28 подачи топлива, переключатели режимов 29, 30.

Система перепуска отработавших газов – г включает исполнительное устройство 31управления заслонкой, - заслонка 32, выпускной коллектор 33, воздушный фильтр 34.

Система подачи воды в парообразном состоянии - д, включает - форсунка 35; испаритель 36; водяной бак 37; насос 38.

Для реализации технологии перевода на газовое топливо дизельных двигателей разработана микропроцессорная система управления газодизельным двигателем, предназначенная для управления впрыском запальной дозы дизельного топлива, подачей газомоторного топлива и автоматического регулирования частоты вращения. Она обеспечивает оптимизацию подачи дизельного и газомоторного топлива, устойчивую работу без детонации на пропан-бутановых смесях со степенью сжатия дизельного двигателя во всем диапазоне частот вращения, нагрузок и при переходных режимах, с коэффициентом избытка воздуха от 1,1 до 1,8, тем самым происходит улучшение его топливной экономичности и экологических показателей.

Газодизельный двигатель имеет камеру сгорания 39, ограниченную поршнем 40 и головкой цилиндра 41, накопительную камеру 42, объединенную с камерой сгорания 39. В накопительной камере 42, изготовленной из никелевой жаропрочной стали, установлен распылитель форсунки 43. Газообмен двигателя осуществляется через выпускной клапан 44 и впускной клапан 45. Подготовка паро-газо-воздушной смеси организована в смесительной рампе 46.

В качестве топлива в данном случае используют углеводородные газы, в состав которых входят компоненты из группы низших алканов: метан, этан, пропан, бутан

Система питания газодизеля работает следующим образом.

Рабочий процесс газодизельного двигателя организован следующим образом. На такте наполнения обедненная паро-газо-воздушная смесь с коэффициентом избытка воздуха 1,1 – 1,8 предварительно смешивается в смесительной рампе 46 и поступает через впускной клапан 45 в цилиндр двигателя, при этом в накопительной камере 42 и камере сгорания 39, сохраняются остаточные газы, температурой 300...600˚С, в составе которых по объему содержится 7% углекислого газа, 6,5% кислорода, 13% водяного пара, при коэффициенте избытка воздуха 1,5. В процессе сжатия в накопительную камеру, температура которой 200...400˚С, поступает газо-воздушная смесь, температура и давление которой возрастает до 550˚С и 5,5 МПа к моменту впрыска запальной дозы в камеру сгорания. При наличии катализатора, перечисленные факторы запускают в камере сгорания и накопительной камере реакцию комбинированной конверсии низших алканов (метан, этан, пропан, бутан) в водород и окись углерода.

Углекислотная конверсия

C_nH_2n+2+nCO₂=2nCO+(2n+1)H₂(1)

Для метана CH₄+CO₂=2CO+2H₂

Для этана C₂H₆+2CO₂=4CO+5H₂

Для пропана C₃H₈+3CO₂=6CO+7H₂

Для бутана C₄H₁₀+4CO₂=8CO+9H₂

Парциальная конверсия кислородом

C_nH_2n+2+1/2nO₂=nCO+(2n+1)H₂(2)

Для метана CH₄+1/2O₂=CO+2H₂

Для этана C₂H₆+O₂=2CO+3H₂

Для пропана C₃H₈+3/2O₂=3CO+4H₂

Для бутана C₄H₁₀+2O₂=4CO+5H₂

Паровая конверсия

C_nH_2n+2+nН₂О=nCO+(2n+1)H₂(3)

Для метана CH₄+Н₂О=CO+3H₂

Для этана C₂H₆+2Н₂О=2CO+5H₂

Для пропана C₃H₈+3Н₂О=3CO+7H₂

Для бутана C₄H₁₀+4Н₂О=4CO+9H₂

Параллельно идет паровая конверсия окиси углерода в водород

CO+Н₂О=CO₂+Н₂(4)

Водород за счет своего минимального веса скапливается в накопительной камере 42. В камере сгорания 39 сохраняются остаточные газы продуктов сгорания в том числе окись углерода. Водород имеет очень широкие концентрационные пределы воспламенения по объему в воздухе от 4,09% до 80%, как и окись углерода от 12,5% до 80%, в отличие от метана от 5,28% до 15,4%. Водород имеет более высокий коэффициент диффузии 0,66 см²/с в отличие от метана 0,196 см²/с. Для воспламенения водорода необходимо меньше энергии приблизительно в 17 раз. Минимальная энергия воспламенения водорода 0,019 мДж, метана 0,33 мДж. Указанные характеристики позволяют воспламенить водород с минимальными затратами энергии. После самовоспламенения запальной дозы горящие дизельное топливо, водород, окись углерода распространяются широким фронтом в камере сгорания 39, зажигая основной топливный заряд, обеспечивая устойчивую работу двигателя без детонации с высокой степенью сжатия во всем необходимом диапазоне частот вращения, нагрузок и при переходных режимах работы. При этом повышается надежность, а также эффективные и экологические показатели двигателя.

Обезвреживание отходящих газов от оксидов азота в камере сгорания 39 происходит в конце сгорания высокотемпературным каталитическим восстановлением. Процесс происходит при контакте нитрозных газов с газами восстановителями на поверхности катализаторов содержащимися в отработавших газах. Восстановителями являются метан, оксид углерода, водород и азотно-водородная смесь.

Суть протекающих восстановительных процессов выражается следующими реакциями:

4NO + CH₄ = 2N₂ + CO₂ + 2H₂O,

2NО₂ + СН₄ = N₂ + СО₂ + 2Н₂О,

2NO + 2CO = N₂ + 2CO₂,

2NO₂ + 4CO = N₂ + 4CO₂,

2NO + 2H₂ = N₂ + 2H₂O,

2NO₂ + 4H₂ = N₂ + 4H₂O.(5)

Восстановление нитрозных газов происходит в отработавших газах, выходящих из камеры сгорания возле слоя никелевого катализатора в камере сгорания.

В лаборатории «Двигателей и применения альтернативных топлив» ФГБНУ ВИМ изготовлен и испытан опытный образец системы питания газодизеля.

Результаты испытаний показали, что система питания газодизеля обеспечивает без детонационную работу газодизельного двигателя при всережимном автоматическом регулировании подачи газовых и жидких топлив и улучшение топливно-экономических, экологических характеристик.

Заявляемое изобретение может найти широкое применение в двигателестроении.