Способ интенсификации периода основного горения в дизеле

Название	Способ интенсификации периода основного горения в дизеле
Разработчик (Авторы)	Плотников Сергей Александрович, Бузиков Шамиль Викторович, Мотовилова Марина Владимировна, Карташевич Анатолий Николаевич
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2763302
Дата регистрации	28.12.2021
Правообладатель	федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вятский государственный университет"
Область применения (класс МПК)	F02M 31/087 (2006.01) F02M 53/06 (2006.01)
Медаль имени А.Нобеля

Описание изобретения

Изобретение относиться к области машиностроения, преимущественно, двигателестроения.

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].

Недостатком известного способа является наличие малого периода основного горения. Это приводит к снижению экономичности рабочего цикла дизеля [И.Ш. Аднан, Г.М. Камфер, В.Н. Луканин. Расчет периода задержки воспламенения в дизеле в условиях двухфазного смесеобразования. Совершенствование автотракторных двигателей внутреннего сгорания: Тр. МАДИ. - Москва, 1985. С. 10-19].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату предлагаемому способу является способ сокращения фазы быстрого горения топлива в дизеле [Патент RU 2708484 C1, МПК F02M 31/00, F02M 31/02, F02M 31/12. Способ сокращения фазы быстрого горения топлива в дизеле: заявка №2018147777: заявл. 29.12.2018: опубл. 09.12.2019 / С.А. Плотников, Ш.В. Бузиков, М.В. Мотовилова; заявитель федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Вятский государственный университет" (ВятГУ).].

Недостатком известного способа является пониженная экономичность рабочего цикла дизеля.

Цель данного изобретения состоит в возможности увеличения экономичности рабочего цикла дизеля, что в результате приводит к снижению удельного эффективного и эксплуатационного расхода топлива.

Техническим результатом заявляемого изобретения является интенсификация периода основного горения в дизеле.

Технический результат достигается путем нагрева, впрыскиваемого в камеры сгорания топлива до температуры, соответствующей концу ее кипения, и осуществляемого в теплообменнике, установленном на топливопроводах высокого давления на входе в форсунку, через который проходят отработавшие газы дизеля. При этом температуру нагрева топлива равную температуре конца ее кипения изначально определяют путем фракционной разгонки применяемого топлива с использованием аппарата для разгонки нефтепродуктов, а на дизеле эту температуру поддерживают при помощи изменения количества отработавших газов, прошедших через теплообменник посредством регулировочного клапана с использованием электронной системы управления.

Раскрытие изобретения

Известно, что поступающее в камеры сгорания дизеля топливо в виде струй посредством форсунок, первоначально деструктурирует до образования каплей, далее идет процесс фракционирования в результате тепло- и массобмена со свежим воздушным зарядом [Р.З. Кавтарадзе. Теория поршневых двигателей. Специальные главы, 2-е издание, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2016]. После чего впрыснутое топливо нагревается за счет 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]. Как правило, на самовоспламеняемость топлива оказывает влияние его фракционный состав, определяющий скорость его испарения и образования смеси с свежим воздушным зарядом после впрыскивания топлива [Исакович Р.Я. Технологические измерения и приборы 2-е изд., перераб. - М.: Недра. 1979 г. 344 с.]. Температура фракционной разгонки топлива, соответствующая концу ее кипения, напрямую определяет степень интенсивности периода основного горения [Богомолов А.И., Гайле А.А., Громова В.В. и др. Химия нефти и газа 3-е издание, дополненное и исправленное. - Под ред. Проскурякова В.А. - СПб: Химия, 1995. - 446 с.; Файнлейб Б.Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей. Справочник. Л. «Машиностроение» (Ленингр. отд-ние), 1974. - 264 с.]. Отрезок времени от конца периода управляемого горения, при котором достигается момент максимального давления цикла и до момента, при котором отмечается наибольшая температура цикла составляет период основного горения. Этот период характеризуется распространением пламени из образовавшихся зон горения по всему пространству камеры сгорания с достижением высокой объемной скорости протекания процессов, в связи с этим температура смеси при этом достигает максимального значения. Интенсивность протекания реакций определяется скоростью взаимной диффузии молекул топлива и окислителя и процессами переноса и смешения вещества. Степень интенсивности данного периода определяется количеством испарившегося топлива впрыснутого в камеры сгорания дизеля за период задержки воспламенения, сгоревшей за период фазы быстрого горения и период управляемого горения.

Для увеличения экономичности рабочего цикла дизеля необходимо чтобы динамическую напряженность цикла определяло не изменение давления основного горения, а более раннее выделение тепла. Поэтому более интенсивный период основного горения и достижение наибольшей температуры в момент, как можно более близкий к нахождению поршня в верхней мертвой точке (далее - ВМТ) обеспечит увеличение экономичности рабочего цикла дизеля [Файнлейб Б.Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей. Справочник. Л. «Машиностроение» (Ленингр. отд-ние), 1974. - 264 с.].

Применение теплообменника, установленного на топливопроводы высокого давления на входе в форсунку, через который проходят отработавшие газы дизеля, позволит, в результате теплообмена нагреть топливопроводы высокого давления, в которых протекает впрыскиваемое в камеры сгорания дизеля топливо до температуры, соответствующей концу ее кипения. Данный нагрев топлива от стенок топливопроводов высокого давления приведет к ее полному испарению в камерах сгорания дизеля, полностью исключит период задержки воспламенения, фазу быстрого горения и увеличит период управляемого горения, что в свою очередь интенсифицирует период основного горения.

При нагреве впрыскиваемого в камеры сгорания дизеля топлива до температуры, соответствующей концу ее кипения, горение начинается сразу без задержки в результате исключения времени на нагрев, далее испарение топлива и значительного ускорения их диффузионного перемешивания со свежим зарядом за счет значительного тепло- и массопереноса [Р.З. Кавтарадзе. Теория поршневых двигателей. Специальные главы, 2-е издание, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2016]. Следовательно, период основного горения интенсифицируется. В результате достижение наибольшей температуры происходит в момент более близкий к нахождению поршня в ВМТ что в свою очередь приводит к увеличению экономичности рабочего цикла дизеля.

Определение температуры топлива, соответствующей концу ее кипения, определяется согласно методике [ГОСТ 2177-99 Нефтепродукты. Методы определения фракционного состава; ГОСТ Р ЕН ИСО 3405-2007 Нефтепродукты. Метод определения фракционного состава при атмосферном давлении (с поправкой)]. Температуру нагрева топлива равную температуре конца ее кипения изначально определяют путем фракционной разгонки применяемого топлива с использованием аппарата для разгонки нефтепродуктов, а на дизеле эту температуру поддерживают при помощи изменения количества отработавших газов, прошедших через теплообменник посредством регулировочного клапана с использованием электронной системы управления. Данная электронная система поддерживает заданную температуру впрыскиваемого топлива посредством управления проходным сечением регулировочного клапана, обеспечивающего изменение количества отработавших газов, прошедших через теплообменник.

Дизель, в котором применен данный способ интенсификации периода основного горения, конструктивно не отличается от серийных дизелей, поэтому при конструктивных доработках, связанных с нагревом впрыскиваемого в камеры сгорания топлива до температуры, соответствующей концу ее кипения, может быть промышленно применен во всех конструкциях дизельных двигателей с использованием любых углеводородных топлив таких как легкое и тяжелое дизельное топливо.

На фигуре 1 показаны индикаторные диаграммы дизеля Д-245.5S2 при его работе в номинальном режиме при подаче не нагретого и нагретого топлива, впрыскиваемого в камеры сгорания, до температуры, соответствующей концу ее кипения. Линия 1 характеризует изменение давления в цилиндре работающего дизеля при подаче дизельного топлива без нагрева, линия 2 - при работе на дизельном топливе, нагретом до температуры, соответствующей концу ее кипения. Точка А характеризует момент начала впрыскивания топлива, точка В - момент его самовоспламенения, точка P_z - максимальное значение давления в цилиндре дизеля в процессе сгорания.

При подаче дизельного топлива (точка А) через какое-то время происходит его самовоспламенение (точка В), давление в цилиндре повышается до максимального значения в точке P_z.

Анализ индикаторных диаграмм показал, что работа дизеля с нагретым впрыскиваемым в камеры сгорания топливом до температуры, соответствующей концу ее кипения сопровождается понижением максимального давления цикла P_z. Значение P_z1 = 10,704 МПа соответствует работе дизеля без нагрева топлива, а при работе на нагретом топливе составляет P_z2 = 10,126 МПа соответственно. Максимальное значение давления цикла P_z достигается при 12 градусах угла поворота коленчатого вала (пкв) после верхней мертвой точки (ВМТ), а при нагреве топлива 9,0 градусов угла пкв после ВМТ. Видно, что точка P_z сдвигается по абсциссе влево на 4 градуса угла пкв.

На фигуре 2 показана характеристика тепловыделения дизеля Д-245.5S2 при его работе в номинальном режиме при подаче не нагретого и нагретого топлива, впрыскиваемого в камеры сгорания, до температуры, соответствующей концу ее кипения, полученная путем обработки индикаторных диаграмм. Линия T_max характеризует изменение среднеобъемной температуры цикла, линии χ_i и χ - активное и полное тепловыделение, соответственно, а линия dχ/dϕ - скорость тепловыделения.

При анализе характеристик полного χ и активного χ_i выделения теплоты при работе дизельного двигателя на номинальном режиме можно сделать вывод, что процесс сгорания начинается раньше. В ВМТ доля активного тепловыделения составляет χ_i = 0,282, а при нагреве топлива до температуры, соответствующей концу ее кипения она имеет значения 0,351 соответственно. Скорость тепловыделения (dχ/dϕ)_max в кинетической фазе резко возрастает и в максимуме имеет значение при работе дизеля без нагрева (dχ/dϕ)_max = 0,1239, а при нагреве (dχ/dϕ)_max = 0,0878, соответственно. Скорость тепловыделения в диффузионной фазе составила при работе дизеля без нагреве (dχ/dϕ)_max = 0,0549, а при нагреве топлива она равнялась (dχ/dϕ)_max = 0,0355, соответственно. При работе дизеля без нагрева топлива среднеобъемная температура в камере сгорания составляет T_max = 2561 K и достигается при 34 градусах угла пкв после ВМТ, а при нагреве температура равна T_max = 2409 K и достигается при 24 градусах угла пкв после ВМТ, соответственно. Видно, что точка T_max сдвигается по абсциссе влево на 10 градусов угла пкв.

За период основного горения принимается отрезок времени, в данном случае угол пкв, от момента максимального давления цикла и до момента максимального значения среднеобъемной температуры цикла. Очевидно, что без нагрева топлива период основного горения составляет 22 градуса угла пкв, а при нагреве топлива до температуры, соответствующей концу ее кипения - 15 градусов угла пкв. Анализ полученных данных свидетельствует о том, что при нагреве топлива до температуры, соответствующей концу ее кипения при помощи теплообменника, установленного на топливопроводы высокого давления на входе в форсунку, через который проходят отработавшие газы дизеля, приводит к интенсификации периода основного горения на 7 градусов угла пкв.

Формула изобретения

Способ интенсификации периода основного горения в дизеле, имеющего в составе топливной аппаратуры топливопроводы высокого давления и форсунки, заключающийся в нагреве впрыскиваемого в камеры сгорания топлива до температуры, соответствующей концу её кипения, осуществляемом в теплообменнике, установленном на топливопроводах высокого давления на входе в форсунку, через который проходят отработавшие газы дизеля, причем температуру нагрева топлива, равную температуре конца её кипения, изначально определяют путем фракционной разгонки применяемого топлива с использованием аппарата для разгонки нефтепродуктов, а на дизеле температуру нагрева поддерживают при помощи изменения количества отработавших газов, прошедших через теплообменник посредством регулировочного клапана с использованием электронной системы управления.

Изобретение "Способ интенсификации периода основного горения в дизеле" (Плотников Сергей Александрович, Бузиков Шамиль Викторович, Мотовилова Марина Владимировна, Карташевич Анатолий Николаевич ) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога