Способ подачи топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области машиностроения, конкретно к двигателестроению, и может быть использовано в системах питания двигателей внутреннего сгорания - дизельных, газотурбинных и турбореактивных двигателей.

Уровень техники

Известны способы подачи топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания для повышения эффективности работы и экономичности двигателей внутреннего сгорания (ДВС) за счет механических устройств, как например, турбонаддув, компаунд для дизелей; многоконтурность, посекционное разделение камер сгорания для турбореактивных двигателей; турбонаддув, компаунд, непосредственный электронный впрыск для бензиновых моторов.

Последним достижением в дизелестроении стала топливная электронная система Common Rail - совместная разработка компаний Bosch и Siemens. (http://www.common-rail.ru/tech/tech_05.php обнаружено 26.03.2016 г.), в которой используются аккумулятор давления, многофазный впрыск и невероятно большие значения давления по сравнению с предыдущими топливными системами.

Использование аккумулятора давления привело к более равномерному распределению топлива по цилиндрам двигателя.

Высокое давление позволило использовать многофазный впрыск, при котором за время, отведенное для впрыска топлива, происходит несколько коротких впрысков. При этом величина вредоносного воздействия детонации на двигатель снизилась, что позволило увеличить степень сжатия. Более лучшим образом распределяется и смешивается с воздухом топливо внутри цилиндра.

Высокое давление позволило получить более мелкую каплю топлива при впрыске, тем самым увеличилась общая - суммарная площадь топливной пленки, которая в единицу времени соприкасается с раскаленным воздухом в цилиндре, в результате чего улучшилось горение топлива. В конечном итоге достигнут эффект гомогенного горения.

За стабильность протекания всех процессов следит электронная система управления.

Однако капля, хоть и более мелкая, все же остается каплей и ей предстоит испариться, разложиться и только потом окислиться - сгореть. Данный процесс одинаков и на газотурбинных и турбореактивных ДВС. К тому же процесс образования пирооксидных групп, которые являются причиной детонации в дизелях, на разных нагрузочных режимах проявляется по разному. Также разный уровень детонации возникает при рабочем ходе в зависимости от расположения поршня относительно ВМТ - верхней мертвой точки, что не учтено авторами в Common Rail.

Раскрытие изобретения

Технический результат заключается в создании условий для формирования факела, образованного горением (окислением) углеводородных газов, выделяющихся непосредственно в момент подачи топлива в камеру сгорания двигателя, что как следствие повышает эффективность работы и экономичность двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

Заявленный результат достигается способом подачи топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания, который включает следующие этапы, а именно - получение водородосодержащих газов из части топлива, предварительно расщепленного путем перегрева, впрыск в камеру сгорания предварительно расщепленного топлива, получение факела из водородосодержащих газов в момент впрыска, получение эффекта факельного сжигания основной порции впрыснутого топлива, при этом в момент впрыска предварительно перегретого жидкого топлива подается вода параллельно подаче топлива.

Осуществление изобретения

В предлагаемом способе топливо, поступающее в камеры сгорания, как может весь объем подвергаться расщеплению путем предварительного перегрева выше температуры самовоспламенения в специальной камере и находиться там в конверсионном - видоизмененном состоянии, так и может быть поделенным на части, одна или более из которых подвергается перегреву выше температуры самовоспламенения в специальной камере и находится там в конверсированном - видоизмененном состоянии.

Конверсионное (преобразованное, видоизмененное) состояние топлива характеризуется содержанием в нем пофракционного состава углеводородов: алканов, алкенов и прочих их производных, в том числе и водородосодержащих газов СН₄; C₂H₆; C₃H₈; C₄H₁₀, появившихся в результате расщепления топлива при перегреве, способностью и готовностью сгорать с большей скоростью и полнотой сгорания, то есть повышенной активностью к окислению (горению). При этом расщепление топлива с получением водородосодержащих газов может производится как непосредственно в устройстве впрыска, так и в дополнительной камере перегрева жидкого топлива.

Активность к окислению повысится настолько, что в момент впрыска образуется струя пламени, но еще не взрыв - факел, скорость горения которого значительно превысит скорость впрыска и горения основного заряда.

Тепловая и лучистая энергии, выделившаяся факелом, с большей скоростью вовлекут в процесс горения основной заряд топлива и главное «медленногорящие» углеводороды, тем самым обеспечат более быстрое (от 2 до 10 раз, в зависимости от количества полученного водородосодержащего газа и нагрузочных режимов двигателя) и более полное его сгорание.

Увеличение скорости сгорания топлива приведет к увеличению мощности как дизелей, так и газотурбинных и турбореактивных ДВС, позволит уменьшить угол опережения впрыска для тех же дизелей, тем самым «смягчить» работу мотора, повысить степень сжатия и давление наддувочного воздуха, изменить коэффициент просасываемого воздуха на газотурбинных и турбореактивных ДВС.

В случае объединения предлагаемого способа с топливной системой Common Rail или использование отдельно многофазного впрыска предполагается применить разные по продолжительности фазы впрыска относительно друг друга, что дополнительно позволит снизить степень детонации, а значит, позволит дополнительно повысить степень сжатия и давление наддувочного воздуха на дизелях.

Увеличение скорости сгорания топлива на турбореактивных двигателях - это прямое увеличение мощности, которое можно компенсировать повышением экономии топлива.

В частном варианте осуществления заявленного способа предусматривается использование воды в качестве дополнительного источника рабочего агента, способного совершить работу, чем принципиально отличается от вышеперечисленных и других существующих способов повышения эффективности работы и экономичности двигателей, в частности, оснащенных топливной системой Common Rail.

В частном варианте осуществления изобретения в камеру сжигания топлива подается предварительно перегретое жидкое топливо с растворенной в нем в условиях воздействия критических температур t°_кр≥374°С при давлении Р≥218 atm водой.

Известно использование воды на дизелях: в виде пара для разжижения дизельного топлива, воды, вводимой во впускной коллектор, но при таком использовании воды можно говорить лишь об увлажнении всасываемого воздуха.

Вода используется в водотопливной эмульсии, получающей все большее распространение, в которой топлива содержится 79%, воды 18-20% и 1-3% эмульгатора. Однако использование такой эмульсии затрудняется в холодном климате, приготавливать эмульсию необходимо заранее, хранение эмульсии ограничено по времени, в некоторых случаях эмульсия расслаивается и ее снова приходится эмульгировать заново. Есть и другие недостатки в применении водотопливной эмульсии, но достигаемый эффект - ≈ 20% экономии топлива от ее применения настолько высок, что недостатки не берут в расчет.

В предлагаемом способе вода будет подаваться параллельно с топливом в жидком виде, струйно либо распылением, непосредственно в камеру сгорания. Повышенная активность топлива к окислению в предлагаемом способе позволит полноценно протекать процессам сгорания при таком варианте подачи воды и ее содержании - более 20 процентов по отношению к количеству топлива. Введенная в зону горения вода будет нагреваться, испаряться и расширяться, пополняя общий объем рабочего агента (рабочего тела), получаемого в результате химической реакции окисления топлива и воздуха непосредственно в камере сгорания.

Как известно вода обладает очень большим коэффициентом объемного расширения при испарении и дальнейшем расширении (k_об=1750). Именно это свойство воды и будет использоваться в предлагаемом способе как основное. Расширение воды будет происходить гораздо медленнее, чем процесс горения, в результате давление будет продолжать нарастать еще некоторое время после того, как закончится процесс образования основного рабочего агента, получаемого от химической реакции топлива с воздухом. Совершится дополнительная работа.

При использовании воды, подаваемой в цилиндры дизеля струйно либо распылением, предлагаемый способ предполагает иметь 2 режима работы «летний» и «зимний», более простой переход с режима на режим, по сравнению с приготавлением водотопливной эмульсии, а также возможность легко освобождать систему от воды в условиях воздействия низких температур.

Увеличение количества рабочего агента в турбореактивных двигателях, работающих в земных условиях: (турбо ТЭЦ, турбоходах, турбовозах) позволит увеличить общую площадь рабочих поверхностей лопаточной части турбин, изменить конфигурацию лопаток, тем самым отобрать больше мощности и сдвинуть концепт мощности в сторону увеличения крутящего момента. Скорость потока при этом не упадет вследствие увеличения скорости сгорания топлива, несмотря на то, что расширение воды происходит с поглощением тепла.

Поглощение тепла расширяющейся водой в дизелях повлечет за собой снижение общего температурного режима двигателя, что дополнительно позволит увеличить степень сжатия либо поднять давление наддувочного воздуха.

Рассматриваемый способ предполагает использовать не менее 20% воды для дизелей и 30% для турбин и получить прирост экономии топлива только за счет использования воды более 20% и еще 10% за счет использования конверсии топлива с формированием факела из водородосодержащих газов, что в совокупности >30% для дизелей, что примерно равно 8-10% КПД или по расходу 140 г/кВт для дизелей с турбо наддувом, 130 г/кВт для дизелей с турбонаддувом и компаундом.

Для турбореактивных двигателей, работающих в земных условиях, где возможно применение всего спектра мероприятий по улучшению эффективности работы и увеличению экономии двигателей, это: использование воды, расщепление топлива, изменение параметров рабочей части турбины, прирост экономии составит более 40% или примерно 12-15% КПД.

Применение данного способа улучшит экологические показатели ДВС по двум составляющим: 1) за счет улучшения полноты сгорания топлива из-за формирования факела из водородосодержащих газов, более активных к окислению, 2) за счет достижения значительной экономии топлива, которая характеризуется уменьшением общего количества сгоревшего в единицу времени топлива, а следовательно уменьшением количества продуктов распада топлива в целом.

При использовании рассматриваемого способа на дизеле устраняются такие явления как залегание колец, закоксование камер сгорания, появляется возможность уменьшить угол впрыска, в конечном итоге повысить моторесурс.

Ввиду того, что получение водородосодержащих газов возможно при использовании различных видов жидкого топлива, рассматриваемый способ предполагает обеспечить «многотопливность» при эксплуатации ДВС.